Exercicis de disseny i impressió 3D — Tecnologia i Digitalització 2n ESO

Per exemple: el cub o prisma per fer una base o una paret recta; el cilindre per fer una columna, una roda o un forat rodó; i l'esfera per fer una part arrodonida com un pom. Amb aquests cossos i les operacions d'unir i restar es modelen molts objectes.

Per exemple: no tocar el broquet ni la base calenta, perquè poden estar a més de 200 graus i cremen; i treballar en un lloc ben ventilat, perquè en fondre el plàstic es desprenen fums. També cal no deixar la impressora sense vigilància i tenir cura amb les parts que es mouen.

Alçada: 20 mm, perquè és la mida sobre l'eix vertical Z.
Volum d'un prisma rectangular = llarg × ample × alt = 40 × 30 × 20 = 24 000 mm³.
Passem a cm³: 24 $\tfrac{000}{1000} = 24$ cm³.
El perquè: els tres eixos X, Y i Z donen les tres dimensions de l'espai; el volum d'un prisma és el producte de les tres.

Per fer el forat: la resta. Es resta del cub un cilindre que el travessi, i el volum del cilindre desapareix del cub.
Per enganxar la nansa: la unió. Les dues peces es fusionen en un sol cos.
La intersecció, en canvi, deixa només el volum que tenen en comú dos cossos.
El perquè: les operacions booleanes combinen cossos bàsics per obtenir formes més complexes.

(a) 4,5 cm = 45 mm, perquè 1 cm = 10 mm.
(b) 0,12 m = 120 mm, perquè 1 m = 1000 mm.
(c) 85 mm = 8,5 cm.
El perquè: en disseny 3D es treballa gairebé sempre en mil·límetres; cal passar bé les unitats perquè una peça no surti deu vegades massa gran o massa petita.

Ordre correcte: (c), (d), (b), (a), (e).
Primer es dissenya el model; després s'exporta a STL; el slicer el talla en capes i genera les instruccions per a la impressora; s'imprimeix; i finalment es fa el post-processat (treure suports i polir).
El perquè: cada pas necessita el resultat de l'anterior; la impressora no pot treballar sense les instruccions del laminador.

El PLA s'obté a partir de recursos renovables, com el midó de la dacsa o el sucre de la canya.
Es considera més respectuós amb el medi perquè no depèn del petroli i es pot compostar, però només en instal·lacions industrials de compostatge; en un contenidor domèstic no es degrada fàcilment.
El perquè: que un material sigui d'origen vegetal no vol dir que desaparegui sol; cal gestionar-lo bé al final de la vida.

Alçat: es mira la peça de cara, des del davant.
Planta: es mira des de dalt.
Perfil: es mira des d'un costat (normalment l'esquerre).
El perquè: una sola vista no permet saber totes les mides d'una peça; amb les tres, es pot reconstruir la forma i modelar-la després en 3D.

massa = densitat × volum = 1,24 g/cm³ × 20 cm³ = 24,8 g.
El perquè: la densitat és la massa per unitat de volum; multiplicant-la pel volum obtenim la massa de la peça.

El broquet escalfa el filament fins que es torna pastós i el diposita, en un fil molt fi, on toca per formar cada capa.
La base d'impressió és la superfície on s'assenta la primera capa; sovint s'escalfa una mica perquè la peça s'hi adhereixi i no es desenganxi mentre s'imprimeix.
El perquè: la impressora construeix l'objecte afegint material, i per això necessita tant una eina que dipositi com una superfície que el sostingui.

Partiria d'un cilindre sòlid amb la mida exterior del got. Després hi col·locaria a dins un altre cilindre una mica més petit i menys alt, marcat com a forat, i el restaria: així es buida el got per dalt i queda la paret i el fons. El resultat és un cilindre buit, que és la forma d'un got.

Perquè descompondre l'objecte en cossos senzills (cubs, cilindres, esferes) fa que el modelatge sigui molt més fàcil: en lloc d'enfrontar-te a una forma complicada, la construeixes ajuntant i restant peces simples que ja saps fer. És com muntar amb peces de construcció.

El slicer talla el model 3D en capes horitzontals fines i genera el codi G, que són les instruccions de moviment per a la impressora. És imprescindible perquè el fitxer STL només descriu la forma de l'objecte, però no diu a la impressora com s'ha de moure per construir-lo; el laminat fa aquesta traducció.

S'exporta habitualment en format STL. Aquest fitxer descriu la superfície de l'objecte com una malla de triangles, és a dir, la seva forma exterior, però encara no conté les ordres de moviment de la impressora (aquestes les afegeix el laminat).

El PLA té l'avantatge de ser fàcil d'imprimir, fer poca olor i ser d'origen vegetal (més ecològic), ideal per començar. L'ABS té l'avantatge de ser més resistent a la calor i als cops, tot i que és més difícil d'imprimir i desprèn més fum.

Perquè en fondre el plàstic per dipositar-lo, la impressora desprèn fums i partícules a l'aire, i l'ABS en fa més que el PLA. Un espai ben ventilat evita que aquests fums s'acumulin i els respirem, cosa que podria ser molesta o perjudicial per a la salut.

Volum del PLA: V = massa / densitat = 1000 / 1,24 ≈ 806,5 cm³.
Radi del filament: 1,75 / 2 = 0,875 mm = 0,0875 cm.
Àrea de la secció: S = π · 0,0875² ≈ 0,02405 cm².
Longitud: L = V / S ≈ 806,5 / 0,02405 ≈ 33 528 cm ≈ 335 m.
El perquè: el filament és un cilindre; si en coneixem el volum (a partir de la massa i la densitat) i la secció, la longitud surt de dividir-los. Per això una bobina d'1 kg conté centenars de metres de filament.

Nombre de capes = 30 / 0,2 = 150.
Temps = 150 × 90 s = 13 500 s.
13 500 s / 3600 = 3,75 h = 3 h 45 min.
El perquè: el temps depèn del nombre de capes; com més fina és la capa, més capes calen per arribar a la mateixa alçada.

Cada dimensió es multiplica per 1,5:
80 × 1,5 = 120 mm; 50 × 1,5 = 75 mm; 20 × 1,5 = 30 mm.
Mides finals: 120 mm × 75 mm × 30 mm.
El perquè: una escala del 150 % amplia totes les dimensions lineals en la mateixa proporció, de manera que la forma es conserva.

Amb un ompliment parcial l'interior és una estructura amb buits (per exemple, en forma de bresca) que gasta menys filament, estalvia temps i redueix el pes, i la peça continua sent prou resistent per a la majoria d'usos.
Càlcul: 40 g × 0,25 = 10 g (només l'interior).
El perquè: un ompliment del 100 % només és necessari quan la peça ha de suportar esforços grans; en la resta de casos es malgasta material.

Construeix l'objecte capa a capa perquè diposita el material de baix a dalt: cada capa nova es recolza sobre l'anterior fins a completar la peça. Els suports són estructures fines que el laminat afegeix sota les parts que queden a l'aire (voladissos) perquè no caiguin mentre s'imprimeixen; després es retiren.

El volum es multiplica pel factor d'escala elevat al cub: $1{,}5^{3}$ = 3,375.
Volum nou = 8 × 3,375 = 27 cm³.
Massa nova = 10 g × 3,375 = 33,75 g (el material és el mateix, així que la massa és proporcional al volum).
No pesa 1,5 vegades més perquè l'escala amplia les tres dimensions (llarg, ample i alt), no una de sola; per això el volum, i amb ell la massa i el filament necessari, creix molt més que la mida.

Estirada: té una base gran i estable, necessita pocs suports i és ràpida de fer.
Dreta: té una base petita i és menys estable, i triga més, perquè hi ha moltes més capes. Si el braç curt queda a dalt, en voladís, cal posar-hi suports; si queda a baix, fent de base, no en calen.
Resistència: la unió entre capes és el punt feble d'una impressió 3D; la peça és més forta en la direcció de les capes que no pas en la perpendicular, on les capes tendeixen a separar-se. Cal orientar la peça perquè els esforços principals no intentin separar les capes.
Si la peça flexiona, convé que la zona de més tensió no sigui una unió entre capes; en general l'orientació estirada és l'adequada, perquè les capes queden alineades amb la direcció de la part llarga.
El perquè: l'orientació és una decisió de disseny que afecta el temps, la qualitat i la resistència.

El joc es compta a cada banda, de manera que el diàmetre del forat augmenta 2 × 0,2 = 0,4 mm.
Diàmetre del forat = 10 + 0,4 = 10,4 mm.
Si el forat fos exactament de 10 mm, l'eix hi entraria a pressió o no hi entraria: la impressió no és perfecta, i el plàstic tendeix a quedar una mica més gruixut del que es dissenya, sobretot a la primera capa.
El perquè: en dissenyar peces que han d'encaixar cal afegir una tolerància que tingui en compte la precisió de la impressora.

La paret de 60° necessita suports; la de 30° no.
Una paret molt inclinada deixa cada capa nova poc recolzada sobre l'anterior, i el filament cau al buit. A 30° la capa nova queda gairebé sobre l'anterior.
Per evitar els suports en la paret de 60° es pot redissenyar la peça perquè la inclinació sigui menor de 45° (per exemple, amb un xamfrà de 45°), o girar-la per imprimir-la en una altra orientació.
El perquè: els suports gasten filament i temps, i deixen marques en retirar-los; en dissenyar per a 3D convé evitar-los quan es pot.

Material: 0,045 kg × 22 €/kg = 0,99 €.
Energia: 0,120 kW × 5 h = 0,6 kWh; cost = 0,6 × 0,18 = 0,108 €.
Cost total = 0,99 + 0,108 = 1,098 €, uns 1,10 €.
El perquè: el cost d'imprimir és sobretot el del material; l'electricitat hi pesa molt poc, però compta si s'imprimeixen moltes peces.

Amb 0,2 mm: $\tfrac{24}{0{,}2} = 120$ capes. Amb 0,1 mm: $\tfrac{24}{0{,}1} = 240$ capes.
El nombre de capes es duplica, així que el temps també es duplica.
La capa fina val la pena per a figures amb detalls petits o superfícies corbes visibles, perquè els esglaons entre capes són menys apreciables. Per a peces funcionals o prototips ràpids, la capa de 0,2 mm és suficient i estalvia temps.
El perquè: hi ha un compromís entre qualitat de l'acabat i temps d'impressió.

Volum del prisma = 60 × 40 × 20 = 48 000 mm³.
El forat travessa tota l'alçada de 20 mm: volum = π · $5^{2}$ · 20 ≈ 1571 mm³ (el radi és la meitat del diàmetre: 5 mm).
Volum de la peça = 48 000 − 1571 ≈ 46 429 mm³ = 46,43 cm³.
Massa = 1,24 × 46,43 ≈ 57,6 g.
El perquè: el forat és una resta booleana; el volum de la peça és el del prisma menys el del cilindre que se li treu.

Cal dividir el model en diverses peces que càpiguen a la base: $\tfrac{350}{200} = 1{,}75$, per tant com a mínim 2 peces (per exemple, de 175 mm cadascuna).
S'han de dissenyar amb una unió que permeti ajuntar-les bé: pestanyes i ranures, un passador amb el seu forat (amb joc de tolerància) o cares planes que s'enganxin amb cola.
També convé fer el tall en un lloc on no es noti o que no sigui una zona de gran esforç.
El perquè: la mida de la base limita la mida de la peça; el disseny per a fabricació additiva inclou pensar com es divideix i com es munta.

Cost injecció: 2000 + 0,30 · n. Cost impressió 3D: 1,50 · n.
Igualem: 2000 + 0,30 n = 1,50 n, per tant 1,20 n = 2000 i n = 1666,7.
Amb 1667 peces o més la injecció és més barata; amb menys peces, la impressió 3D.
El perquè: la impressió 3D no té cost inicial, però cada peça és cara; el motlle és una inversió fixa que només es recupera amb tirades grans. Per això la impressió 3D és ideal per a prototips i sèries petites.