E5.3 Informe de fabricación de prototipos personalizados funcionales por FDM del sector calzado

Transcripción

1 Fabricación avanzada de productos manufactureros tradicionales mediante tecnologías de Additive Manufacturing E5.3 Informe de fabricación de prototipos personalizados funcionales por FDM del sector calzado Fecha entregable: 30/Abril/2016

2 TABLA DE CONTENIDOS 1. INFORMACIÓN DEL PROYECTO DETALLES DEL ENTREGABLE DISEÑO DE PIEZAS PROTOTIPO FABRICACIÓN DE LAS PIEZAS PROTOTIPO DEMOSTRADORES CON DIFERENTE FUNCIONALIDAD CARACTERIZACIÓN DE LAS PIEZAS OBTENIDAS Y VALIDACIÓN DE LA FUNCIONALIDAD Página 2 de 28

3 1. INFORMACIÓN DEL PROYECTO. Título del proyecto: Fabricación avanzada de productos manufactureros tradicionales mediante tecnologías de additive manufacturing Acrónimo: -II Programa de trabajo: IVACE. Ayudas dirigidas a centros tecnológicos de la Comunidad Valenciana para 2016 (IMDECA2016/3). Fecha de comienzo: 1 de Enero de 2016 Duración: 12 meses Lista de participantes: Participante No. Nombre organización participante. Nombre abreviado Lugar 1 (Coord.) Asociación de Investigación de la Industria del Juguete, Conexas y Afines AIJU Ibi 2 Instituto Español del Calzado y Conexas INESCOP Elda 3 Instituto Tecnológico textil AITEX Alcoy Página 3 de 28

4 2. DETALLES DEL ENTREGABLE. Entregable número: Título den entregable: E5.3. Prototipos personalizados funcionales de calzado Periodo: 07/ /2016 Paquete trabajo: Tarea: PT5.Desarrollo de demostradores de juguete, textil y calzado mediante FDM con materiales funcionales Tarea 5.3. Obtención y caracterización de piezas finales para el sector calzado Instituto Tecnológico del Calzado y Conexas Autor: Resumen: En el presente informe se va a resumir todo el proceso seguido para la fabricación y caracterización de diferentes piezas del sector calzado, mediante técnicas de FDM, utilizando los materiales con propiedades específicas y utilizando las diferentes herramientas software de diseño desarrolladas en el proyecto, las cuales servirán para demostrar la viabilidad de la nueva tecnología planteada. Página 4 de 28

5 3. DISEÑO DE PIEZAS PROTOTIPO Si bien durante la primera anualidad se diseñaron y se fabricaron una serie de piezas prototipo cuya finalidad principal era la de optimizar todos los parámetros del proceso de producción de las piezas; desde perfeccionar el diseño software de las piezas para que después puedan ser fabricadas de la manera más fácil posible, hasta la depuración del funcionamiento de los cabezales extrusores diseñados para trabajar con los materiales desarrollados por Inescop, en esta segunda anualidad esta tarea de diseño de las piezas ha estado centrada en la optimización de la geometría y estructura interna de piezas tales como plantillas, tacones de diseño y piezas técnicas para calzado deportivo, mediante el software, para que cumplan con los requisitos establecidos. Se han optimizado los procesos de diseño de manera que a la hora de convertir los ficheros *.stl de las piezas diseñadas al formato de fichero que el software de gestión de la impresora 3D es capaz de leer no exista ningún problema. Se ha tenido especial cuidado en el diseño de piezas que incluyan algún tipo de cámara de aire, teniendo que diseñarse de una manera especial (en dos partes que luego se unen) para una correcta generación del fichero *.stl. A continuación se muestran todas las piezas generadas en esta tarea: Pieza 01 Página 5 de 28

6 Pieza 02 Pieza 03 Página 6 de 28

7 Pieza 04 Pieza 11A Página 7 de 28

8 Pieza 12A Pieza 13A Página 8 de 28

9 Pieza 14A Pieza 21A Página 9 de 28

10 Pieza 22X Pieza 31A Página 10 de 28

11 Pieza 31B Pieza 32A Página 11 de 28

12 Pieza 32B 4. FABRICACIÓN DE LAS PIEZAS PROTOTIPO DEMOSTRADORES CON DIFERENTE FUNCIONALIDAD. Si bien durante la primera anualidad se imprimieron en 3D varias piezas tales como insertos y plantillas anatómicas con con material flexible (tanto comercial como desarrollado por INESCOP), en esta segunda anualidad se han fabricado varios tipos de piezas funcionales más complejas (inclusión de texturizado orgánico en plantillas anatómicas) de nivel industrial, para su validación industrial mediante la técnica de AM. Se han fabricado también varios tipos de probetas con diferentes clases y grados de relleno estructural más avanzado (panal de abeja, circular, ), incluso se ha llegado a imprimir alguna pieza prototipo con un texturizado (pieza 33ª). El objetivo de la fabricación de estas probetas es la caracterización de las estructuras de relleno en términos de absorción de impactos, disipación de la energía, etc. Durante esta tarea, aparte de todo lo descrito anteriormente, también se han realizados varias impresiones con material rígido, material flexible comercial, material desarrollado por INESCOP, material soluble para finalizar la puesta a punto y los ajustes finos de los cabezales extrusores que nos van a permitir la fabricación de las piezas con diferentes tipos de densidad, de absorción de impactos, de flexiblidad,etc,etc es decir una personalización casi total de todos los parámetros que afectan a la funcionalidad de las piezas. Este último proceso es muy necesario, puesto que mediante él se crean unos perfiles de configuración de los cabezales, y en función de los materiales a utilizar y de la combinación de los mismos, se cargarán unos u otros. A continuación se adjuntan las imágenes de los prototipos ya imprimidos: Página 12 de 28

13 Probetas 01A-01B Probetas 02A-02B-02C Página 13 de 28

14 Probetas 03A-03B Probetas 11A-12A-13A-14A Página 14 de 28

15 Probetas 04A-04B Probeta 21A Página 15 de 28

16 Probetas 22A-22B-22C Probetas 33A-33B Página 16 de 28

17 Durante los diferentes procesos de fabricación realizados durante la primera anualidad hemos llegado a la conclusión que el proceso de fabricación necesita una supervisión, al menos en la primera fase. Esta supervisión es necesaria para corroborar que el sistema fabrica el objeto de manera adecuada habiendo combinado temperatura de trabajo, velocidad de extrusión o la propia geometría de la pieza. Dependiendo de la complejidad, material y/o geometría del objeto, el proceso de fabricación mediante técnica FDM puede prolongarse durante varias horas. Es por esto que la impresora 3D puede quedar desatendida durante un lapso de tiempo importante y según la situación de parada, puede haber un riesgo importante de Con una monitorización continua y de alarma se consiguen varios objetivos: - Apagado del sistema una vez fabricado el objeto - En caso de problema mecánico y/o movimiento del cabezal extrusor, parada de la fabricación para el ahorro del material. - Parada de la dosificación de material en el caso de un mal funcionamiento (atasco o rotura) del cabezal extrusor. Esta parte es particularmente interesante por los problemas que conlleva poner a punto de nuevo el cabezal. - Ahorro de energía en general. - Aviso en forma de mail al usuario de cualquier problema en el proceso de fabricación. Como solución se aporta el uso de un sistema de visión artificial combinado más un software desarrollado instalado en un sistema informático conectado a la web que permite el control remoto del sistema dedicado a la fabricación FDM. El software además es capaz de enviar un correo electrónico al usuario en el momento que salte alguna alarma. El software recoge y trata la imagen capturada por una cámara, a través de comunicación USB. El algoritmo de detección se basa en la ausencia de movimiento durante un tiempo preestablecido y mandar una alarma vía a la dirección de correo deseada. Cuando el usuario receptor de la alarma es consciente del problema, puede comunicarse remotamente (a través de software gratuito de terceros: TeamViewer, AnyDesk ) con el equipo informático que gestiona la fabricación 3D. Página 17 de 28

18 Página 18 de 28

19 5. CARACTERIZACIÓN DE LAS PIEZAS OBTENIDAS Y VALIDACIÓN DE LA FUNCIONALIDAD. Una vez se han diseñado las piezas prototipo y se han fabricado, el siguiente paso es el de caracterizarlas. El tipo de caracterización que se va a llevar a cabo va a ser evaluarlas en término de capacidad de absorber impactos, ya que ese será el parámetro determinante para, posteriormente, optar por un tipo de pieza u otro a la hora de diseñar una plantilla personalizada con diferentes grados de amortiguación/absorción de impactos. Para poder realizar una correcta caracterización de las piezas, el primer paso que hemos tenido que dar ha sido el de realizar una búsqueda para ver si existe algún ensayo que nos permita evaluar esta característica. Consultando las normas al respecto, así como los diferentes ensayos normalizados, hemos tomado la decisión de implementar un sistema que consta de una bola de acero de 28grs. de peso que sube a una altura de 220mm. sobre una probeta colocada justo en su vertical. Una vez alcanzada dicha altura, se deja caer en caída libre la bola hasta que impacta contra la probeta. Una célula de carga colocada en la base de la probeta se va a encargar de medir la energía transmitida en cada golpeo de la bola. Puesto que conocemos la energía de inicio (energía potencial de la bola), así como la energía transmitida a través de la probeta, es muy fácil calcular la energía que la probeta absorbe. Para ello, se ha desarrollado un circuito electrónico capaz de adaptar la señal del sensor de la célula de carga y así poder convertirla y transmitirla a un PC donde es analizada. El proceso se basa en un motor con un electroimán que captura una bola de acero y la eleva hasta una altura determinada desde donde es lanzada en caída libre. La medición de la energía que pasa a través de la probeta es capturada por una célula de carga. La señal proporcionada por la célula de carga se adapta para poder ser convertida por un PIC mediante un conversor A/D, y ese mismo PIC envía el resultado de la conversión a un programa de PC desarrollado en Visual C# para analizar los resultados. A continuación se describen con más detalle cada una de las partes que forman el sistema: o Prototipo de sistema de arrastre de bola y detección de impacto: Página 19 de 28

20 4 Detalle de la zona de impacto En esta imagen se puede observar el prototipo compuesto por un electroimán (1), el motor paso a paso (2) empleado para subir la bola a una altura dada, la bola (3), la célula de carga (4) donde se registra la energía que la probeta no absorbe. Se adjuntan a continuación los planos de diseño y construcción del prototipo. Página 20 de 28

21 Página 21 de 28

22 o Circuito de control: La medición de la energía que pasa a través de la probeta es capturada por una célula de carga. La señal proporcionada por la célula de carga se adapta para poder ser convertida por un PIC mediante un conversor A/D, y ese mismo PIC envía el resultado de la conversión a un programa de PC desarrollado en Visual C# para analizar los resultados. Se adjuntan a continuación fotos del circuito de control, así como planos de diseño para su integración en placa. Diseño preliminar circuito en protoboard Esquema eléctrico Página 22 de 28

23 Placa de control o Software: El software diseñado va a ser el encargado de comunicarse con la placa de control y de gestionar al ascenso de la bola (a través del motor paso a paso), la suelta de la misma para su caída libre (mediante la conexión/desconexión del electroimán) y de recoger los datos que envía la célula de carga tanto para su representación gráfica en la pantalla del ordenador como para su almacenamiento en un fichero de datos. En la gráfica que ofrece se puede ver la amplitud del rebote (en términos de tensión) frente al tiempo. Página 23 de 28

24 Con todo el sistema anteriormente descrito, se procede a realizar un par de ensayos para cada una de las probetas. El motivo de realizar dos ensayos y no uno con cada probeta es para que los resultados obtenidos sean más fiables, al minimizar el efecto del ruido o de datos espúreos que puedan aparecer. A continuación se adjuntan las gráficas de datos obtenidas para cada grupo de probetas. Se puede comprobar que los ensayos correspondientes a cada una de las probetas ofrecen valores casi idénticos, lo que también es un buen signo de la repetibilidad del proceso de fabricación de las piezas. También observamos la diferencia de valores entre probetas con diferente tipo de relleno, cosa esperada. A través de los resultado obtenidos, somos capaces de caracterizar la capacidad para absorber impactos de cada una de los diferentes tipos de piezas, e introducir esta caracterización como un parámetro en el software de diseño de plantillas, de manera que para una zona determinada de la plantilla donde se quiera un grado concreto de amortiguación, el software es capaz de seleccionar entre todos los tipos de piezas la más adecuada para cumplir con los requisitos de diseño. Página 24 de 28

25 Página 25 de ,14 0,28 0,42 0,56 0,7 0,84 0,98 1,12 1,26 1,4 1,54 1,68 1,82 1,96 2,1 2,24 2,38 2,52 2,66 2,8 2,94 3,08 3,22 3,36 3,5 3,64 3,78 3,92 4,06 4,2 4,34 4,48 4,62 4,76 4,9 5,04 5,18 5,32 5,46 5,6 5,74 5,88 6,02 6,16 6,3 6,44 6,58 6,72 6,86 7 Tiempo (ms) V (mv) 01A_1 01A_2 01B_1 01B_2 02A_1 02A_2 02B_1 02B_2 02C_1 02C_2 03A_1 03A_2 03B_1 03B_2 04A_1 04A_2 04B_1 04B_2 Resultados probetas 01A,01B,02A,02B,02C,03A,03B,04A,04B

26 ,18 0,35 0,53 0,7 0,88 1,05 1,23 1,4 1,58 1,75 1,93 2,1 2,28 2,45 2,63 2,8 2,98 3,15 3,33 3,5 3,68 3,85 4,03 4,2 4,38 4,55 4,73 4,9 5,08 5,25 5,43 5,6 5,78 5,95 6,13 6,3 6,48 6,65 6,83 7 Tiempo (ms) 11A_1 11A_2 V (mv) 12A_1 12A_2 13A_1 13A_2 14A_1 14A_2 Resultados probetas 11A,12A,13A,14A Página 26 de 28

27 ,18 0,35 0,53 0,7 0,88 1,05 1,23 1,4 1,58 1,75 1,93 2,1 2,28 2,45 2,63 2,8 2,98 3,15 3,33 3,5 3,68 3,85 4,03 4,2 4,38 4,55 4,73 4,9 5,08 5,25 5,43 5,6 5,78 5,95 6,13 6,3 6,48 6,65 6,83 7 Tiempo (ms) 21A_1 21A_2 V (mv) 22A_1 22A_2 22B_1 22B_2 22C_1 22C_2 Resultados probetas 21A,22A,22B,22C Página 27 de 28

28 ,18 0,35 0,53 0,7 0,88 1,05 1,23 1,4 1,58 1,75 1,93 2,1 2,28 2,45 2,63 2,8 2,98 3,15 3,33 3,5 3,68 3,85 4,03 4,2 4,38 4,55 4,73 4,9 5,08 5,25 5,43 5,6 5,78 5,95 6,13 6,3 6,48 6,65 6,83 7 Tiempo (ms) 31A_1 31A_2 V (mv) 32A_1 32A_2 33A_1 33A_2 33B_1 33B_2 Resultados probetas 31A,32A,33A,33B Página 28 de 28