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Prototipo de Impresora 3D reutilizando desecho electrónico (e-waste) en su
construcción, y uso de botellas PET como material de impresión

 

 

Paulo Roberto Loma Marconi
prlomarconi@gmail.com

 

 

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Resumen

Implementación de un prototipo básico de Impresora 3D con la técnica FDM aplicando botellas plásticas PET desechables reemplazando el tradicional PLA/ABS como material de impresión, adaptación de desecho electrónico (e-waste) para la construcción del extrusor y la estructura. Implementación de diseño propio de electrónica y Firmware-Software para el control de temperatura PID por Efecto Joule, control de motores paso a paso (mPaP), operación y monitoreo general, algoritmos descriptor Gcode y posicionamiento 3D.

Palabras Claves - Impresora 3D, FDM, Manufactura por Adicción, Matlab, Visual Studio, C/C#, extrusor, DIY, Efecto Joule, Termo-cupla, Control PID discreto, Sketchup CAD, e-waste, adaptación, PET, reciclado, descriptor Gcode, RTOS, PIC18F4550, PICCS, USB modo bulk.

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I. Introducción

Durante el proceso de construcción de una impresora 3D existen dos problemas que fueron identificados; la importación de componentes electrónicos (controladores) y electromecánicos (extrusor) específicos para impresoras 3D, y la dependencia en la importación del material de impresión plástico tipo PLA/ABS.

Por tanto, el objetivo fue la implementación de un prototipo básico alternativo de Impresora 3D reutilizando y adaptando desecho electrónico (e-waste) en el proceso de construcción, además del empleo de botellas PET desechables como material de impresión, aplicando la técnica FDM (Modelación por Deposición Fundida).

 

II. Desarrollo del prototipo

La figura 1 describe en diagrama de bloques el esquema general de funcionamiento para su respectiva implementación.

A.    Construcción mecánica del extrusor y estructura completa.

Se dispuso la adaptación de e-waste y componentes de fácil adquisición en tiendas locales, para ninguna etapa se recurrió a la importación de componentes exclusivos para Impresoras 3D.

La construcción empezó con la elección de los componentes y herramientas electromecánicas, luego se realizó el modelo CAD del extrusor utilizando la herramienta Sketchup, figuras 2 y 3.

B.    Alimentación del material

El tipo de alimentación del material plástico PET picado es manual, luego es transportado por inyección hacia el Licuefactor, figura 4.

También puede usarse rollo de plástico PET obtenido directamente de la botella gracias a un procedimiento manual de corte, figura 5.

C.     Calentamiento por Efecto Joule

Se realiza la construcción del Licuefactor con un nozzle (boquilla) de bronce para hornillas a gas y una resistencia eléctrica tipo niquelina, todo debe ser aislado de forma eléctrica y calorífica, figura 6.

D.    Extrusión

Se aplica la técnica por Inyección donde la barra roscada esta acoplada al extrusor, figura 2; que transfiere el movimiento rotacional del motor mPaP en movimiento vertical lineal.

E.    Robot cartesiano y posicionamiento 3D

La estructura completa del prototipo respeta la configuración del robot cartesiano, para cada eje existe un mPaP unipolar o bipolar. En los 3 casos, el eje y/o caja de engranajes del motor tiene acoplado una polea dentada que transfiere el movimiento rotacional en movimiento lineal, las barras lisas permiten que el movimiento lineal

 

 

uniforme reduzca su fricción, y las abrazaderas conectan eje con eje para completar la configuración de robot cartesiano, figura 8.

F. Diseño electrónico

El diseño electrónico completo (Schematic), layout de la placa PCB y modelo CAD, se realizó en Proteus 8.0.

1) MCU PIC18F4550 y comunicación USB

La ejecución del Firmware está a cargo del MCU PIC18F4550, cuya característica principal es el módulo USB 2.0 integrado, además de su fácil adquisición y bajo costo. El tipo de transferencia USB que se aplica es Bulk mode con tipo de clase CC(Custom Class), figura 9.

 

 

2) Esquema electrónico de los cuatro motores mPaP X, Y, Z y E

Se usan cuatro mPaP ewaste de diferentes características y dimensiones, un bipolar para el eje X; dos unipolares para el eje Y, Z y un unipolar para el extrusor E. El controlador es de medio paso para todos los motores,

 

 

 

 

y está a cargo de IC L297+IC L298, para el motor bipolar; y IC L297+array Darlington, para los motores unipolares; figura 10.

3) Efecto Joule por PWM y Mosfet

Para el calentamiento por Efecto Joule en el Licuefactor, se aplica control PID por PWM desde el MCU 18F4550, cuyo actuador es un Mosfet de potencia IRL3803, conectado en paralelo con una

 

fuente de voltaje de +19, 5[V] y 4[A] actuando sobre la niquelina de , otorgando una potencia de 63[watts], figura 11.

4) Acondicionamiento de señal de Termocupla K

Para lograr el acondicionamiento y su compensación analógica correctamente, se debe plantear el problema según la tabla 1, seguido del análisis y obtención de valores mediante la figura 12 y desarrollo matemático (1)

 

 

 

obteniendo valores de Resistencia para el Amplificador Diferencial(OP07) = UT2 de Ganancia

 

reemplazando en el diseño de la figura 13

 

calculando los valores de Resistencia para el Amplificador Diferencial de Instrumentación(AD620) = UT3 de Ganancia , según la ecuación siguiente, y reemplazando en el diseño de la figura 13

 

 

 

Para completar el último paso, se debe aplicar la Ley de Circuitos Homogéneos y Metales Intermedios según,

y calculando los valores de Resistenca para el sumandor UT4,

 

5) Modelo CAD y grabado PCB

Finalmente, se construye el PCB respetando el área máxima de soporte; una fuente de poder para PC, y reutilizando la mayor cantidad de componentes electrónicos e-waste de placas dañadas, figura 14.

 

III. Desarrollo de Firmware

Programación Imperativa y Estructurada, la razón se debe a la aplicación del Lenguaje de Programación C sobre software compilador PICWHD con su respectivo bootloader, además de la técnica Multitarea a través de un RTOS open-source; (OSA-RTOS) para PIC18F4550.

A. Estructura general

El algoritmo 1 describe en pseudo-código la estructura base. En conf ig hay 4 grupos grandes delimitados, MCU y Comunicación USB que están implícitamente relacionados; en cambio, RTOS depende del correcto funcionamiento de su propio grupo de instrucciones y la correspondiente compatibilidad con el MCU.

Hay que resaltar la omisión del clásico while loop en main; se prescinde de él porque un RTOS gestiona mejor las tareas de operación, control y comunicación.

 

B.     Función genérica: Inicio

Es la primera función genérica a llamar que inicializa las variables y módulos del MCU, algoritmo 2.

C.     Tarea RTOS: Comunicación USB/descriptor Bulk-mode

La figura 15 muestra en diagrama de bloques los Bytes de Envió/Recepción de paquetes USB que implementa a través del algoritmo 3.

D. Tarea RTOS: Control PID discreto de temperatura

Para implementar Control PID se debe obtener el modelo de la Planta(Licuefactor) Gp(s), se analiza los requerimientos de diseño, simulación en Matlab y finalmente, según el algoritmo 4 se implementa el controlador PID.

1) Análisis

El Software GUI cumple la función de obtener la respuesta al escalón del Licuefactor Gp(s), registrando en un documento.txt los valores de sensor de Temperatura Termocupla K cada Periodo de Tiempo de muestreo

 

 

 

 

, la figura 15 muestra el procesamiento de los datos r(t), y(t) y actuador por PWM.

Aplicando una señal escalón a a lazo abierto se obtiene la figura 16.

Que exporta un documento.txt con Tm = 1000[ms] para ser importado con la herramienta Ident Matlab, y proceder a la identificación del modelo SISO. Finalmente genera la Función de Transferencia,

Que exporta un documento.txt con Tm = 1000[ms] para ser importado con la herramienta Ident Matlab, y proceder a la identificación del modelo SISO.

Finalmente genera la Función de Transferencia,

 

2) Diseño

Gracias a otra herramienta de diseño de controlador; Sisotool Matlab, se genera los parámetros y Función de Transferencia del Controlador , figura 18

 

 

 

Que resultan en:

 

3) Simulación

Se discretiza según el código Matlab 1, para obtener la figura 19.

 

 

 

 

 

4) Implementación

Para implementar el algoritmo PID 4, el MCU debe ejecutarlo en periodos de Tiempo Discreto T = 1000 [ms]) donde el resultado se muestra en la figura 20.

 

IV. Desarrollo de Software

El Software se realiza aplicando P00 a través de Visual Studio C# con diseño de interfaz WFA, la figura 21 muestra GUI completo con 5 secciones definidas:

•   Referencia r(t) por PWM: rango de 0 — 5[V] = 0-300[°C].

•   Salida y(t): elección Gla — Glc, Iniciar/Parar Muestreo, tiempo t_m[ms]; rango de salida por voltaje 0 - 5[V], temperatura 0 - 300[°C] y 0 -1023[dec].

•   Control Manual mPaP XYZE con 2 subgru-pos: número de Pulsos(distancia), periodo de Pulsos (velocidad).

•   Gcode: cargar, instrucción por vez step, reset, ti-mer, enviar una instrucción.

•   Monitoreo: referencia r(t) vs salida y(t), a través de un chart o plotter.

 

 

A. Descriptor Gcode

El Descriptor Gcode tiene la función de obtener los datos de posición XYZE y velocidad F(Feedrate) de los mPaP, procesar dichos valores para enviar solamente número de Pulsos XYZE y Periodo XZYE al Firmware para su ejecución.

El código ejemplo 2, indica el desarrollo de un rectángulo 2D sin el eje Z, donde el extrusor E deposita el material de acuerdo a las distancias XY [mm], Gl indica que la instrucción es de Movimiento Lineal Controlado, velo-ddad(Feedrate) F 1200 . Cada linea de instrucción refiere al toolpath necesario para completar el rectángulo 2D, figura 22.

 

 

Por tanto, el procedimiento de desarrollo del algoritmo descriptor consiste en:

•   Guardar en buffer de memoria el Documento.gcode que contiene todas las instrucciones Gcode.

•   Buscar la instrucción de Movimiento Lineal Controlado.

•   Procesar el campo numérico para guardar en variables temporales XYZEF.

•   Realizar el escalamiento de distancias XYZE, de acuerdo a la tabla 2.

 

•   Realizar el promedio de las distancias y periodos XYE para calcular la ecuación de relación; tomando como referencia al periodo del motor E, tabla 3.

•   Sin embargo, no es necesario calcular la relación agregando el eje Z porque su movimiento solo se ejecuta cuando termina un capa.

• Relación XYE

 

V. Resultados

Procedimiento de impresión:

•   Implementado el siguiente modelo CAD, figura 23; y exportando el formato . stl

-  Interior: 7[mm]xl2[mm

-  Exterior: 15[mm]x20[mm

-  Altura: 5[mm]

•   Obteniendo el Documento. gcode con Slic3r y visualizando con Repetier-Host, figura 24.

•   Importando el Documento.gcode con el botón Cargar Gcode e imprimiendo la pieza con el botón Step; usando el GUI del Proyecto, figura 21.

•   Pieza final resultante, figura 25.

-  Interior: 7[mm]xl3[mm

-  Exterior: 116[mm]x21[mm]

-  Altura: 5[mm]

 

VI. Conclusiones

• El extrusor electromecánico y todo el diseño electrónico fue implementado con ewaste y componentes adquiridos en tiendas locales, sección II.

 

 

•   La subsección B. demuestra la aplicación de material de impresión plástico PET de botellas desecha-bles, alimentado al Licuefactor manualmente.

•   El diseño del sistema electrónico y su implementación satisface todos los requerimientos de funcionamiento: control, comunicación y operación del prototipo, subsección F.

•   El procedimiento de control PID se aplicó a través de las herramientas Ident y Sisotool de Matlab, la adquisición de datos de la planta G_p fue por medio del propio GUI del proyecto, y la implementación a través del MCU PIC18F4550, sección III.

•   El desarrollo de Firmware sincroniza los mPaP para el correcto posicionamiento 3D, envía/recibe datos del sensor de temperatura por medio del protocolo USB para el correcto control PID, sección III.

•   El desarrollo de Software aplicando P00, interac-túa completamente con el Firmware para la ejecución de las instrucciones Gcode en el proceso de impresión 3D, sección IV.

•   La baja resolución de las piezas impresas se debe a la limitación del Medio Paso en los mPaP; por tanto, se recomienda el cambio de diseño electrónico que implemente Micro Paso, que resultará en una Impresión 3D de calidad media/alta.

•   La alimentación del material de impresión es manual y la cantidad de plástico procesado depende del volumen del Licuefactor, se recomienda un diseno nuevo de extrusor que contemple la alimentación continua.

 

Referencias

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