PFC 13406046 Rafael Bobo Garcia

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

INDUSTRIALES
CÁTEDRA DE PROYECTOS
“Diseño de una impresora 3D capaz de

crear múltiples objetos simultáneamente”
PROYECTO FIN DE CARRERA

Nº 13406046
MEMORIA
RAFAEL BOBO GARCÍA

SEPTIEMBRE 2013
2
Universidad Politécnica
de Lappeenranta
La Lappeenranta University of Technology (con sus siglas LUT o Lappeenrannan

Teknillien Yliopisto en Finlandés) se encuentra ubicada en la provincia de Carelia del Sur,
en Finlandia. Fue fundada en 1969, a la orilla del lago Saimaa, el mayor de Finlandia y uno
de los más grandes de Europa. Su campus se encuentra a unos 7 kilómetros del centro de
la ciudad, y lo comparte con la “Saimaa University of Applied Sciences”.
Entre los años 1950 y 1960 el gobierno Finlandés hizo planes para ubicar la
Universidad Este de Finlandia en Lappeenranta, pero
finalmente dicha universidad fue descentralizada en tres
ciudades, Lappeenranta, Kuopio y Joensuu. Por aquellos años
solo los departamentos de ingeniería se habían construido, por
lo que permaneció así hasta 1991, cuando se añadió también el
departamento de “Business Administration”
A día de hoy, uno de los pilares fundamentales de la

ideología de LUT es la “energía verde” y el desarrollo sostenible.
A su vez, y en parte debido a su ventajosa situación geográfica,
la Universidad pretende ser uno de los más importantes centros
universitarios en continua cooperación con la vecina Rusia,
compartiendo diferentes conocimientos y alojando a un gran
número de estudiantes e investigadores rusos. Además, LUT
considera muy importante la cooperación con la empresa, por lo que mantiene una
estrecha relación con diferentes compañías, tanto de la zona como internacionales,
potenciado especialmente por el Centro Tecnológico Kareltek. Además, la Lappeenranta
University of Technology es una universidad pública, y mantenida con fondos públicos,
como todas las universidades Finlandesas.
Como reflejo de todo lo anterior, en 2011 LUT comenzó el proyecto “Green

Campus”, intentando conseguir un ambiente de desarrollo educacional e investigador
único. Mediante diferente subproyectos, y basándose en toda la experiencia en energías
y sus innovaciones adquirida, el Green Campus es un ejemplo de cómo la tecnología
puede ser usada para resolver problemas medioambientales y construir un mundo más
sostenible.
La universidad está formada por unos 930 empleados y alrededor de 5.700

estudiantes, con unas cifras crecientes año tras año. LUT ofrece a los alumnos una
experiencia formativa muy personalizada, siendo posible crear un currículum académico
3
según el interés del alumno, decidiendo asignaturas y metodologías, pudiendo obtener

con ello diferentes grados, másteres y doctorados en ciencias, ingeniería y economía y
negocios.
Los anteriores títulos se pueden obtener mediante las tres facultades principales,
y colaborando con los diferentes centros de investigación:
• Facultad de Tecnología:
o Departamento de Tecnología Química
o Departamento de Ingeniería Eléctrica
o Departamento de Tecnología Energética
o Departamento de Ingeniería Mecánica
o Departamento de Ingeniería, Física y Matemáticas
o Departamento de Ingeniería medioambiental
• Facultad de Tecnología de Gestión:
o Departamento de Organización Industrial
o Departamento de Tecnología de la Información
• Escuela de Negocios:
o Contabilidad
o Derecho de empresas
o Finanzas
o Marketing Internacional
o Tecnología y Gestión de la Innovación Internacional
o Organización del conocimiento
o Gestión y Organizaciones
o Investigación Estratégica
o Gestión Logística
• Institutos de Investigación:
o Centre for Separation Technology (CST)
o Technology Business Research Center (TBRC)
o Northern Dimension Research Centre (NORDI)
o Carelian Drives and Motor Centre (CDMC)
o FiberLaboratory
o Centre of Computational Engineering and Integrated Design (CEID)
Cabe destacar que LUT ofrece diferentes programas de Máster acreditados

internacionalmente, tanto impartidos en finés como en inglés. Por ejemplo el Máster en
Marketing Internacional fue certificado con EFMD´s EPAS durante los próximos cinco
años, así como un reconocimiento ACE y ASIIN para los programas de Ingeniería
Mecánica, Ingeniería Química, Ingeniería Energética, Ingeniería Medioambiental, y
Organización Industrial.
4
LUT MECHANICAL ENGINEERING

Aunque como se ha descrito anteriormente todos los departamentos de la
Universidad están altamente interconectados, pudiendo crear un currículo académico con
asignaturas de múltiples facultades (es el caso del autor de este proyecto, combinando
Ingeniería Energética e Ingeniería Mecánica), a modo de detalle, y debido a que este
Proyecto sí ha sido realizado bajo el amparo del departamento de Ingeniería Mecánica, a
continuación se le dedican unas líneas.
“Heavy as metal, hard as steel”
El departamento de Ingeniería mecánica ha

sido diseñado para ser un nexo de unión entre
expertos e investigadores de alta calidad en
diferentes tecnologías de producción y tecnología
del metal, intentando a su vez estar en contacto con las necesidades de la ciencia, las
empresas y la sociedad para dar solución a todos esos problemas.
Uno de los núcleos de las habilidades del departamento es el continuo desarrollo

de las últimas tecnologías digitales de diseño y producción, como por ejemplo estructuras
soldadas, tecnología láser, técnicas de empaquetado y tratamiento de compuestos de
fibras, siendo éstas punteras y a la vanguardia de lo demandado por las más modernas
empresas. Estas habilidades se desarrollan en diferentes subdepartamentos como Diseño
Virtual, Diseño de Máquinas, Tecnología Láser, Estructuras Metálicas, Mecatrónica,
Producción, Tecnologías de Soldado y Tecnologías de Empaquetado y Fibras.
Experiencia Integrada: Con esta idea de integración, el departamento de

Ingeniería Mecánica intenta abarcar el amplio rango de conceptos que incluye todo el
proceso de creación de un producto de ingeniería mecánica. Desde la fase de diseño,
selección de materiales, fabricación, producción, y montaje hasta su utilidad y durabilidad
son consideradas de una forma interactiva y relacionada, sobre la que aplicar la pericia
del Ingeniero Mecánico.
Además, una de las claves es concentrar las investigaciones en el uso de los más
modernos procesos de producción, con gran integración de toda la tecnología digital. Por
otro lado el departamento tiene como principio el ser accesible, y establecer vínculos con
la sociedad local, permitiendo crear una gran interacción con las diferentes empresas así
como generando un entorno inspirador y actual.
Por último, destacar que los títulos de Grado y Máster en Ingeniería Mecánica
obtenidos mediante el departamento están internacionalmente acreditados por EUR-ACE
y ASIIN. Esto garantiza una enseñanza de alta calidad, enfoque internacional y continua
mejora.
Prefacio 5
PREFACIO
La memoria de este proyecto está formada por diferentes partes. En primer lugar
se encuentra un resumen en español de la memoria original en inglés. Dicho resumen
está elaborado a partir de una traducción al español de la memoria completa, pero
eliminando ciertas partes, con el objetivo de sintetizar el texto así como añadiendo
algunos comentarios aclaratorios.
A continuación aparece la memoria original, escrita en inglés y entregada en la

universidad de destino. Dicha memoria está dividida en cinco partes principales y consta
de un total de 15 capítulos divididos entre dichas partes.
En la Parte I se sientan las bases del proyecto mediante el capítulo de

antecedentes. En él se describen los principios básicos de la tecnología de impresión 3D.
Además se resumen los diferentes avances tecnológicos y su historia, su desarrollo y las
ventajas e inconvenientes mas genéricos, para poder contextualizar el proceso de diseño
que va a venir a continuación.
En la Parte II comienza dicho proceso de diseño. Antes de pasar a decisiones de

diseño concretas, se plantean con claridad los objetivos del proyecto. Se especifican
algunos requerimientos de la máquina y a lo largo del Capítulo 3 se van definiendo las
partes principales que cualquier impresora 3D debe tener, comentando brevemente sus
problemas típicos y sus posibles mejoras, siempre desde una visión global. A
continuación, en el Capítulo 4 se van sentando las bases de lo que podría ser un nuevo
diseño mediante la comparación de los diferentes aspectos generales intentando
descartar los no interesantes pasando así un primer filtro de conceptos.
En la Parte III, y gracias a la ya adquirida visión general se concretan las

propiedades básicas de lo que va a ser el diseño definitivo. Para ello en el Capítulo 5 se
pasa de ideas generales a plantear dos diseños concretos y realistas, y por último se
argumenta la decisión de desarrollar el modelo completo de uno de ellos.
En la Parte IV comienza el diseño CAD de la impresora a desarrollar. En el Capítulo

6 se presentan algunas especificaciones y limitaciones generales, y ya en los siguientes
capítulos se pasa a desarrollar, parte por parte, el aspecto de la impresora. Como proceso
de diseño de una máquina completa, mencionar que todas las partes están claramente
relacionadas entre sí, por lo que el proceso es iterativo y complejo, pero se resume de la
manera más clara posible mediante el uso de tablas y la presentación de imágenes
renderizadas del modelo 3D. También a lo largo de estos capítulos se realizan las
diferentes comprobaciones y cálculos mecánicos, criterios importantes para decidir cada
diseño.
En la Parte V se presentan las conclusiones del proyecto. En primer lugar en el

Capítulo 13 se divide la estructura de los resultados obtenidos y por último en los
Prefacio 6
Capítulos 14 y 15 se mencionan las contribuciones técnicas más relevantes así como los
posibles futuros trabajos.
Concluidas estas cinco partes, siguen a la memoria los diferentes anexos:
En el Anexo I se presenta de forma sintetizada una tabla que resume los

materiales que componen la impresora 3D. En dicha tabla se incluyen en algunos casos
ciertos datos, como precios, pesos o referencias, que pueden ser de gran utilidad y son un
buen complemento al modelo CAD
En el Anexo II se muestra la lista de referencias más importantes, utilizadas a lo

largo de todo el proyecto. Se encuentran numeradas según van apareciendo en la
memoria.
En el Anexo III se encuentra la planificación del proyecto, básicamente consistente

en un diagrama de Gantt con los diferentes procesos.
En el Anexo IV se encuentra el presupuesto detallado.
Por último, en el Anexo V, y también como complemento al diseño CAD se

presentan los informes obtenidos en los diferentes estudios mecánicos de las piezas
críticas. Dichos informes son resultados de salida automática mediante SolidWorks, a los
que se les ha añadido algunos comentarios, si bien es solo una muestra de la gran
cantidad de documentación que se puede obtener ejecutando el modelo.
Índice 7
ÍNDICE
Universidad Politécnica de Lappeenranta ............................................................................. 2
LUT MECHANICAL ENGINEERING........................................................................................... 4
PREFACIO ............................................................................................................................... 5
ÍNDICE .................................................................................................................................... 7
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 14
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................. 19
RESUMEN ............................................................................................................................. 21
PARTE I: INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 22
Capítulo 1. Antecedentes ......................................................................................... 22
1.1 IMPRESIÓN 3D .............................................................................................. 22
1.2 HISTORIA DE LA IMPRESIÓN 3D ................................................................... 23
1.3 EL PROYECTO REPRAP .................................................................................. 25
1.4 DESARROLLO DE LA IMPRESIÓN 3D ............................................................. 26
1.5 IMPRESIÓN 3D COMO NEGOCIO.................................................................. 26
1.5.1 Impresoras Hobby: ............................................................................... 26
1.5.2 Impresoras Industriales ....................................................................... 27
1.6 VENTAJAS COMPETITIVAS ............................................................................ 29
1.6.1 Fabricación económicamente eficiente ............................................ 29
1.6.2 Producción rápida ............................................................................. 29
1.6.3 Ahorro de material ............................................................................ 29
1.6.4 Alta calidad y nuevos perfiles............................................................ 29
1.6.5 Económica ......................................................................................... 30
1.7 DESVENTAJAS DE LA IMPRESION 3D ............................................................ 30
1.7.1 Material ............................................................................................. 30
1.7.2 Estructura .......................................................................................... 30
1.7.3 Tamaño del producto impreso .......................................................... 31
1.7.4 Productividad .................................................................................... 31
PARTE II: LA IMPRESORA 3D: DISEÑO GENERAL.................................................................. 32
Capítulo 2. Objetivos del proyecto ............................................................................. 32
Capítulo 3. Partes principales, problemas de diseño y posibles mejoras .................. 32
Índice 8
3.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE UNA IMPRESORA 3D ..................... 32

3.2 EXTRUSOR .................................................................................................... 33
3.2.1 Problemas típicos en extrusores ....................................................... 34
3.2.2 Posibles mejoras en extrusores......................................................... 34
3.2.3 Comparativa entre las diferentes opciones ...................................... 36
3.2.4 Componentes impresos .................................................................... 36
3.2.5 Componentes no impresos ............................................................... 37
3.2.6 Componentes del motor y controlador ............................................ 38
3.2.7 Tornillo perfilado ............................................................................... 38
3.2.8 Comparación final sobre extrusores ................................................. 39
3.3 MOVIMIENTO LINEAL EN COORDENADAS X E Y .......................................... 39
3.3.1 Basado en dos barras lisas y rodamientos ........................................ 39
3.3.2 Basado en un carril perfilado ............................................................ 39
3.3.3 Robot delta ........................................................................................ 40
3.3.4 Tabla de comparación de sistemas cinemáticos ............................... 40
3.4 BOQUILLA ..................................................................................................... 41
3.4.1 Calentar y fundir la fibra de ABS ....................................................... 41
3.4.2 Guiar y concentrar la impresión ........................................................ 41
3.5 SUBSTRATO O CAMA TÉRMICA .................................................................... 43
3.5.1 Movimiento de la cama .................................................................... 44
Capítulo 4. Comparativa de diferentes diseños ......................................................... 46
4.1 TABLAS DE COMPARACIÓN .......................................................................... 46
4.2 CONCLUSIONES PRINCIPALES DE LA COMPARATIVA ................................... 48
PARTE III: NUEVOS DISEÑOS ................................................................................................ 49
Capítulo 5. Concretando el diseño definitivo ............................................................. 49
5.1 PROPUESTA DE DISEÑO 1............................................................................. 49
5.2 PROPUESTA DE DISEÑO 2............................................................................. 51
5.3 DECISION FINAL ............................................................................................ 52
PARTE IV: DISEÑO CAD......................................................................................................... 53
Capítulo 6. Visión general del proceso de diseño ...................................................... 53
6.1 LIMITACIONES DIMENSIONALES .................................................................. 54
Capítulo 7. Extrusor y rollos de filamento .................................................................. 55
Índice 9
7.1 MOTOR ......................................................................................................... 55

7.2 RUEDAS DENTADAS ...................................................................................... 56
7.3 CÁLCULOS DE PAR ........................................................................................ 56
7.4 VELOCIDAD LIMITE DE EXTRUSIÓN .............................................................. 57
7.5 RESUMEN DE DISEÑO DEL EXTRUSOR ......................................................... 58
Capítulo 8. Cama térmica ........................................................................................... 59
8.1 RESUMEN DE DISEÑO DE LA CAMA TÉRMICA ............................................. 59
Capítulo 9. Cabezal y bloque de sujeción de las boquillas ......................................... 61
9.1 CONSIDERACIONES GENERALES................................................................... 61
9.2 TEST MECÁNICO ........................................................................................... 61
9.2.1 Selección de la pieza a estudiar ........................................................ 61
9.2.2 Restricciones de movimiento ............................................................ 62
9.2.3 Fuerzas externas................................................................................ 62
9.2.4 Resultados de la simulación .............................................................. 63
9.3 RESUMEN DE DISEÑO DEL CABEZAL ............................................................ 65
Capítulo 10. Boquillas ................................................................................................. 67
10.1 RESUMEN DE DISEÑO DE LAS BOQUILLAS ............................................. 67
Capítulo 11. Railes perfilados ..................................................................................... 68
11.1 CONSIDERACIONES GENERALES ............................................................. 68
11.2 RESUMEN DE DISEÑO PARA EL MOVIMIENTO EN LA COORDENADA X . 69
11.3 RESUMEN DE DISEÑO PARA EL MOVIMIENTO EN LA COORDENADA Y . 72
11.4 RESUMEN DE DISEÑO PARA EL MOVIMIENTO EN LA COORDENADA Z . 74
Capítulo 12. Cálculos estructurales mediante Toolbox.............................................. 77
12.1 INTRODUCCIÓN A TOOLBOX .................................................................. 77
12.2 RESULTADOS DEL TEST MEDIANTE TOOLBOX ........................................ 78
PARTE V: CONCLUSIONES .................................................................................................... 79
Capítulo 13. Resultados .............................................................................................. 79
Capítulo 14. Contribuciones técnicas del proyecto.................................................... 82
Capítulo 15. Futuros trabajos ..................................................................................... 83
Índice 10
PART I: INTRODUCTION ....................................................................................................... 88

Chapter 1. Background ............................................................................................ 88
1.1 3D PRINTING................................................................................................. 88
1.2 HISTORY OF 3D PRINTING: ........................................................................... 89
1.3 THE REPRAP PROJECT ................................................................................... 90
1.4 CONTINUOUS DEVELOPMENT OF 3D PRINTING .......................................... 91
1.5 PRINTING AS A BUSINESS: ............................................................................ 92
1.5.1 Hobby printers: .................................................................................... 92
1.5.2 Industrial printers: ............................................................................... 92
1.6 COMPETITIVE ADVANTAGES OF 3D PRINTING: ........................................... 95
1.6.1 Cheap manufacturing: ....................................................................... 95
1.6.2 Quick production: .............................................................................. 95
1.6.3 No material loss:................................................................................ 95
1.6.4 Good Quality and new shapes: ......................................................... 95
1.6.5 Affordability....................................................................................... 96
1.7 DISADVANTAGES OF 3D PRINTING .............................................................. 96
1.7.1 Material ............................................................................................. 96
1.7.2 Structural ........................................................................................... 96
1.7.3 Size..................................................................................................... 96
1.7.4 Productivity ....................................................................................... 97
PART II: A 3D PRINTER.......................................................................................................... 98
Chapter 2. Goal of the project ................................................................................. 98
Chapter 3. Main parts, design issues and improvements. ...................................... 98
3.1 OVERVIEW OF A 3D PRINTER ...................................................................... 98
3.2 EXTRUDER .................................................................................................... 99
3.2.1 Typical problems of extruders......................................................... 100
3.2.2 Possible improvements in extruders............................................... 100
3.2.3 Comparison of different options ..................................................... 102
3.2.4 Printed parts .................................................................................... 102
3.2.5 Non-printed parts:........................................................................... 103
3.2.6 Nozzle parts: .................................................................................... 104
3.2.7 Stepper motor and stepper motor driver carrier: .......................... 105
Índice 11
3.2.8 Hobbed bolt:.................................................................................... 105

3.2.9 Final Extruder Comparison .............................................................. 106
3.3 LINEAR X AND Y MOTION ........................................................................... 106
3.3.1 Based on two smooth bars and bearings: ....................................... 107
3.3.2 Based on single profiled rail: ........................................................... 107
3.3.3 Delta robot: ..................................................................................... 107
3.4 NOZZLE ....................................................................................................... 108
3.4.1 To heat and melt the fiber of plastic: .............................................. 108
3.4.2 To guide and focus the printing: ..................................................... 108
3.5 HEATED BED ............................................................................................... 111
3.5.1 Flatness of the bed .......................................................................... 111
3.5.2 Straightness of the bed ................................................................... 111
3.5.3 Adherence of the bed...................................................................... 111
3.5.4 Rigidity and vibrations of the bed ................................................... 112
3.5.5 Size of the bed ................................................................................ 112
3.5.6 Movement of the bed .................................................................... 112
3.6 HOW TO TRANSMIT THE MOVEMENT ....................................................... 114
3.7 KINEMATICS SYSTEMS COMPARISON ........................................................ 114
Chapter 4. Comparison of different designs ......................................................... 115
4.1 COMPARISON TABLES ................................................................................ 115
4.2 MAIN CONCLUSSIONS OF COMPARISONS: ................................................ 116
PART III: NEW DESIGNS ...................................................................................................... 117
Chapter 5. Focusing the design ............................................................................. 117
5.1 PROPOSED DESIGN 1 .................................................................................. 117
5.2 PROPOSED DESIGN 2 .................................................................................. 119
5.3 FINAL DECISION .......................................................................................... 120
PART IV: CAD DESIGN......................................................................................................... 121
Chapter 6. Overview of the design process ........................................................... 121
6.1 SIZE LIMITATIONS ....................................................................................... 122
Chapter 7. Extruder and filament rolls .................................................................. 123
7.1 STEPPER MOTOR ........................................................................................ 123
7.2 GEARED WHEELS ........................................................................................ 124
Índice 12
7.3 TORQUE CALCULATIONS ............................................................................ 124

7.4 EXTRUSION SPEED LIMIT ............................................................................ 126
7.5 WHERE TO PLACE THE EXTRUDER.............................................................. 126
7.6 EXTRUDER DESIGN SUMMARY................................................................... 127
Chapter 8. Heated Bed .......................................................................................... 128
8.1 HEATED BED MAIN PARTS .......................................................................... 128
8.2 HEATED BED CONNECTOR ......................................................................... 128
8.3 DESIGN PROCESS ........................................................................................ 128
8.4 DESIGN SUMMARY ..................................................................................... 130
Chapter 9. Header and nozzles holder .................................................................. 132
9.1 GENERAL CONSIDERATIONS....................................................................... 132
9.2 MECHANICAL TESTING ............................................................................... 133
9.2.1 Selecting the piece of study ............................................................ 133
9.2.2 Restrictions of movement ............................................................... 133
9.2.3 External Forces ................................................................................ 134
9.2.4 Results of the simulation ................................................................. 135
9.3 HEADER DESIGN SUMMARY....................................................................... 137
Chapter 10. Nozzles ................................................................................................. 139
10.1 GENERAL CONSIDERATIONS ................................................................. 139
10.2 DESIGN SUMMARY ............................................................................... 139
Chapter 11. Profiled rails ......................................................................................... 141
11.1 GENERAL CONSIDERATIONS ................................................................. 141
11.2 MOVEMENT ON X COORDINATE .......................................................... 143
11.2.1 General overview .......................................................................... 143
11.2.2 Length of the rail ........................................................................... 143
11.2.3 Carriage system and connection ................................................... 143
11.2.4 Placing the fixation ........................................................................ 144
11.2.5 Mechanical test of the carriage connector ................................... 144
11.2.6 Transmission of the movement .................................................... 145
11.2.7 Belt system .................................................................................... 145
11.2.8 Mechanical test of the X motor-belt holder ................................. 145
11.2.9 DESIGN SUMMARY OF X COORDINATE ......................................... 147
Índice 13
11.3 MOVEMENT ON Y COORDINATE .......................................................... 150

11.3.1 General Overview .......................................................................... 150
11.3.2 Length of the Y profile ................................................................... 150
11.3.3 Connecting different arms ............................................................ 150
11.3.4 Placing the arm.............................................................................. 150
11.3.5 Stability of the arm ........................................................................ 151
11.3.6 Mechanical Testing........................................................................ 152
11.3.7 DESIGN SUMMARY OF Y COORDINATE ......................................... 153
11.4 MOVEMENT ON Z COORDINATE .......................................................... 155
11.4.1 General considerations ................................................................. 155
11.4.2 Placing the stepper motors ........................................................... 155
11.4.3 Stepper Motor Holder ................................................................... 156
11.4.4 Mechanical Testing of Z motor holder .......................................... 156
11.4.5 Fixation of the base ....................................................................... 157
11.4.6 DESIGN SUMMARY OF Z COORDINATE ......................................... 158
Chapter 12. Structural calculations by Toolbox....................................................... 161
12.2 THE MECHANICAL TEST ........................................................................ 162
PART V: CONCLUSIONS ...................................................................................................... 163
Chapter 13. Results .................................................................................................. 163
Chapter 14. Technical contributions of the project ................................................ 166
Chapter 15. Future works ........................................................................................ 167
ANEXO I: LISTA DE MATERIALES ........................................................................................ 168
ANEXO II: REFERENCIAS ..................................................................................................... 171
ANEXO III: PLANIFICACIÓN Y DIAGRAMA DE GANTT ......................................................... 173
ANEXO IV: TESTS MECÁNICOS DETALLADOS ..................................................................... 175
Lista de Figuras 14
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1 Sistema de impresión 3D ................................................................................ 23
Fig. 2 FDM ................................................................................................................ 24
Fig. 3 Impresora autoreplicante ............................................................................... 25
Fig. 4 AM Landscape ................................................................................................ 27
Fig. 5 Infografía Mercado impresoras 3D [41] ......................................................... 28
Fig. 6 Ejemplo de pieza de formas complejas .......................................................... 29
Fig. 7 Rollos de ABS .................................................................................................. 30
Fig. 8 Estructura de soporte ..................................................................................... 30
Fig. 9 Esquema de componentes de una impresora 3D .......................................... 32
Fig. 10 Extrusor dentado .......................................................................................... 33
Fig. 11 Sistema de extrusión .................................................................................... 33
Fig. 12 Extrusor de Ed Bowden ................................................................................ 35
Fig. 13 Bloque de estrusor Wade ............................................................................. 36
Fig. 14 Bloque de alojamiento Wade ....................................................................... 37
Fig. 15 Rueda Wade 1 .............................................................................................. 37
Fig. 16 Rueda Wade 2 .............................................................................................. 37
Fig. 17 Tornillo perfilado .......................................................................................... 38
Fig. 18 Barras y cojinetes ......................................................................................... 40
Fig. 20 Robot delta ................................................................................................... 40
Fig. 19 Railes perfilados............................................................................................ 40
Fig. 21 Boquilla ......................................................................................................... 41
Fig. 22 Bloque de boquilla ........................................................................................ 41
Fig. 23 Tipos de boquilla .......................................................................................... 41
Fig. 24 X-crossed nozzles .......................................................................................... 42
Fig. 25 Cross crossed nozzles ................................................................................... 42
Fig. 26 Linear Y nozzles............................................................................................. 42
Fig. 27 Linear X nozzles ............................................................................................ 43
Fig. 28 Impresora Cartesio ....................................................................................... 43
Fig. 29 Movimiento relativo cama-cabezal .............................................................. 45
Fig. 30 Montaje modular.......................................................................................... 50
Fig. 31 Impresora printrbot ...................................................................................... 51
Fig. 32 Croquis de distribución de las boquillas ....................................................... 52
Fig. 33 Diseño completo en fase alfa ....................................................................... 54
Fig. 34 Nema 17 ....................................................................................................... 55
Fig. 35 Rueda dentada pequeña .............................................................................. 56
Fig. 36 Rueda dentada grande ................................................................................. 56
Fig. 37 Extrusor diseñado ......................................................................................... 58
Fig. 38 Cama térmica simple .................................................................................... 59
Fig. 39 Conexión entre bloques de camas ............................................................... 59
Lista de Figuras 15
Fig. 40 Bloque sujeción camas ................................................................................. 59

Fig. 41 Tornillos reguladores de altura .................................................................... 59
Fig. 42 Diseño Final de la cama térmica................................................................... 60
Fig. 43 Modelo de cabezal ....................................................................................... 61
Fig. 44 Selección de la pieza de estudio ................................................................... 61
Fig. 45 Restricciones de movimiento ....................................................................... 62
Fig. 46 Resumen de fuerzas ..................................................................................... 62
Fig. 47 Von-Mises ..................................................................................................... 63
Fig. 48 Deformación ................................................................................................. 63
Fig. 49 Deformaciones cabezal aluminio ................................................................. 64
Fig. 50 Conexión simétrica del cabezal .................................................................... 65
Fig. 51 Nervios del cabezal ....................................................................................... 65
Fig. 52 Conexión del bloque boquilla ....................................................................... 65
Fig. 53 Conexión al carro .......................................................................................... 65
Fig. 57 Resumen de diseño del cabezal ................................................................... 66
Fig. 54 Conexión de la correa ................................................................................... 66
Fig. 55 Test mecánico del cabezal ............................................................................ 66
Fig. 56 Diseño final del cabezal ................................................................................ 66
Fig. 58 Boquilla ......................................................................................................... 67
Fig. 59 Conexión al cabezal ...................................................................................... 67
Fig. 60 Bloque sujeción boquilla .............................................................................. 67
Fig. 61 Ejemplos de marcas de raíles ....................................................................... 68
Fig. 62 Rail metric 25 ................................................................................................ 68
Fig. 63 Railes de la marca Open Rails ....................................................................... 68
Fig. 64 Raíl perfilado................................................................................................. 69
Fig. 65 Carro ............................................................................................................. 69
Fig. 66 Correa y rodamiento .................................................................................... 69
Fig. 67 Motor y correa.............................................................................................. 70
Fig. 68 Conector de brazo ........................................................................................ 70
Fig. 69 Tope de goma ............................................................................................... 70
Fig. 70 Final raíl X ..................................................................................................... 71
Fig. 71 Raíl perfilado................................................................................................. 72
Fig. 72 Movimiento en Y .......................................................................................... 72
Fig. 73 Columnas simétricas ..................................................................................... 73
Fig. 74 Final Y............................................................................................................ 73
Fig. 75 Sistema de movimiento en Z ........................................................................ 74
Fig. 76 Pieza de sujeccion del motor en Z ................................................................ 74
Fig. 77 Brazo Z .......................................................................................................... 74
Fig. 78 Alojamiento tornillo sin fin ........................................................................... 75
Fig. 79 Pie estandarizado ......................................................................................... 75
Fig. 80 Final Z............................................................................................................ 76
Lista de Figuras 16
Fig. 81 80/20 Toolbox............................................................................................... 77

Fig. 82 Resultados mediante toolbox....................................................................... 78
Fig. 83 CAD Final 1 .................................................................................................... 80
Fig. 84 CAD Final 2 .................................................................................................... 81
Fig. 85 3D Printing system ........................................................................................ 89

Fig. 86 FDM .............................................................................................................. 90
Fig. 87 Self-Replicating ............................................................................................. 91
Fig. 88 AM Landscape .............................................................................................. 93
Fig. 89 3D printing market infography [41].............................................................. 94
Fig. 90 New shapes................................................................................................... 95
Fig. 91 ABS rolls ........................................................................................................ 96
Fig. 92 Holding structure .......................................................................................... 96
Fig. 93 3D printer schema ........................................................................................ 98
Fig. 94 Geared Extruder ........................................................................................... 99
Fig. 95 Extruding system .......................................................................................... 99
Fig. 96 Ed´s Bowden Extruder ................................................................................ 101
Fig. 97 Wade´s Extruder block ............................................................................... 102
Fig. 98 Wade´s Idler block ...................................................................................... 103
Fig. 99 Wade´s gear 1 ............................................................................................. 103
Fig. 100 Wade gear 2.............................................................................................. 103
Fig. 101 Hobbed bolt .............................................................................................. 106
Fig. 102 Bars and bearings ..................................................................................... 107
Fig. 103 Profiled rails .............................................................................................. 107
Fig. 104 Delta arms ................................................................................................ 108
Fig. 105 Nozzle overview........................................................................................ 108
Fig. 106 Brass block ................................................................................................ 108
Fig. 107 Nozzle types.............................................................................................. 109
Fig. 108 X-crossed nozzles ...................................................................................... 109
Fig. 109 Cross crossed nozzles ............................................................................... 110
Fig. 110 Linear Y nozzles ........................................................................................ 110
Fig. 111 Linear X nozzles ........................................................................................ 110
Fig. 112 Cartesio printer......................................................................................... 110
Fig. 113 Bed/header movement ............................................................................ 113
Fig. 114 Modular assembly .................................................................................... 118
Fig. 115 Printrbot ................................................................................................... 119
Fig. 116 Nozzles distribution sketch....................................................................... 120
Fig. 117 First complete CAD model ........................................................................ 122
Fig. 118 Nema 17 ................................................................................................... 123
Fig. 119 Small gear ................................................................................................. 124
Fig. 120 Large gear ................................................................................................. 124
Lista de Figuras 17
Fig. 121 Designed extruder .................................................................................... 127

Fig. 122 Bed´s screws ............................................................................................. 129
Fig. 123 Bed ............................................................................................................ 130
Fig. 124 Bed holder´s connection........................................................................... 130
Fig. 125 Bed´s holder.............................................................................................. 130
Fig. 126 Heigh calibration ...................................................................................... 130
Fig. 127 Final Heated Bed ...................................................................................... 131
Fig. 128 Header Sketch........................................................................................... 132
Fig. 129 Selecting the piece ................................................................................... 133
Fig. 130 Fixtures ..................................................................................................... 133
Fig. 131 Forces........................................................................................................ 134
Fig. 132 Von-Mises results ..................................................................................... 135
Fig. 133 Deformation ............................................................................................. 135
Fig. 134 Aluminum header ..................................................................................... 136
Fig. 135 Header joint .............................................................................................. 137
Fig. 136 Header´s nervs .......................................................................................... 137
Fig. 137 Nozzle connection .................................................................................... 137
Fig. 138 Carriage connection ................................................................................. 137
Fig. 142 Header Design summary .......................................................................... 138
Fig. 139 Belt connection......................................................................................... 138
Fig. 140 Header´s mechanical testing .................................................................... 138
Fig. 141 Final header .............................................................................................. 138
Fig. 143 Brass made nozzle .................................................................................... 139
Fig. 144 Nozzle connection .................................................................................... 140
Fig. 145 Final nozzle ............................................................................................... 140
Fig. 146 Profiled rails .............................................................................................. 141
Fig. 147 Metric 25 profiled rail ............................................................................... 141
Fig. 148 Open rails.................................................................................................. 141
Fig. 149 80/20 Series 25 ......................................................................................... 142
Fig. 150 Rubber bump ............................................................................................ 143
Fig. 151 Profiled rail connector .............................................................................. 144
Fig. 152 Connector displacements ......................................................................... 144
Fig. 153 Standard Belt ............................................................................................ 145
Fig. 154 Von Mises Z motor holder ........................................................................ 146
Fig. 155 Deformation X motor holder .................................................................... 146
Fig. 156 Profiled Rail............................................................................................... 147
Fig. 157 Carriage..................................................................................................... 147
Fig. 158 Belt and bearing ....................................................................................... 147
Fig. 159 Stepper and belt ....................................................................................... 148
Fig. 160 Arm connector .......................................................................................... 148
Fig. 161 Rubber bump ............................................................................................ 148
Lista de Figuras 18
Fig. 162 Final X-Rail ................................................................................................ 149

Fig. 163 CAD model overview 2 ............................................................................. 151
Fig. 164 Y mechanical test ...................................................................................... 152
Fig. 165 Profiled rail ............................................................................................... 153
Fig. 166 Y movement.............................................................................................. 153
Fig. 167 Dual columns ............................................................................................ 154
Fig. 168 Final Y........................................................................................................ 154
Fig. 169 Screw driving ............................................................................................ 155
Fig. 170 Nut´s place ................................................................................................ 155
Fig. 171 Z Motor holder ......................................................................................... 156
Fig. 172 Z motor holder deformation 1 ................................................................. 156
Fig. 173 Z Motor holder 2 ...................................................................................... 157
Fig. 174 Z movement system ................................................................................. 158
Fig. 175 Z motor holder.......................................................................................... 158
Fig. 176 Z Arm ........................................................................................................ 158
Fig. 177 Screw receptor ......................................................................................... 159
Fig. 178 Standardized base attachment ................................................................ 159
Fig. 179 Final Z........................................................................................................ 160
Fig. 180 80/20 Toolbox........................................................................................... 161
Fig. 181 Toolbox results ......................................................................................... 162
Fig. 182 Final CAD 1 ................................................................................................ 164
Fig. 183 Final CAD 2 ................................................................................................ 165
Fig. 184 Gantt Chart ............................................................................................... 174
Lista de tablas 19
LISTA DE TABLAS
Table. 1 Extrusor dentado. Componentes impresos [25] ........................................ 37
Table. 2 Extrusor dentado. Componentes no impresos [25] ................................... 38
Table. 3 Comparaciones de motores de pasos ........................................................ 38
Table. 4 Comparación de extrusores ....................................................................... 39
Table. 5 Comparacion de sistemas cinemáticos ...................................................... 40
Table. 6 Distribución de boquillas ............................................................................ 43
Table. 7 Requerimientos y soluciones ..................................................................... 46
Table. 8 Comparativa de diseños mediante factores .............................................. 47
Table. 9 Diseño 1 ...................................................................................................... 50
Table. 10 Diseño 2 .................................................................................................... 52
Table. 11 Especificaciones Nema 17 ........................................................................ 55
Table. 12 Especificaciones Nema 17-2 ..................................................................... 56
Table. 13 Tabla resumen del extrusor ..................................................................... 58
Table. 14 Resúmen de diseño de la cama térmica .................................................. 60
Table. 15 Resumen de diseño de las boquillas ........................................................ 67
Table. 16 Resumen de diseño de la coordenada X .................................................. 71
Table. 17 Resumen de diseño de la coordenada Y .................................................. 73
Table. 18 Resumen de diseño de la coordenada Z .................................................. 76
Table. 19 Geared Extruder, printed parts [25]....................................................... 103

Table. 20 Geared Extruder, Non printed parts [25] ............................................... 104
Table. 21 Nozzle parts ............................................................................................ 105
Table. 22 Stepper motor comparison .................................................................... 105
Table. 23 Extruder comparison .............................................................................. 106
Table. 24 Kinematics comparison .......................................................................... 108
Table. 25 Nozzles distribution ................................................................................ 110
Table. 26 Heated bed weight ................................................................................. 114
Table. 27 Requirements and solutions .................................................................. 115
Table. 28 Designs comparison ............................................................................... 116
Table. 29 Design 1 .................................................................................................. 118
Table. 30 Design 2 .................................................................................................. 120
Table. 31 Nema 17 specifications .......................................................................... 123
Table. 32 Nema 17 specifications 2 ....................................................................... 124
Table. 33 Extruder design summary ...................................................................... 127
Table. 34 Heated bed´s design summary ............................................................... 131
Table. 35 Nozzle´s design summary ....................................................................... 140
Table. 36 Design summary of X coordinate ........................................................... 149
Table. 37 Design summary of Y coordinate ........................................................... 154
Table. 38 Design summary of Z coordinate ........................................................... 160
Lista de tablas 20
Table. 39 Bill of materials ....................................................................................... 170

Table. 40 Gantt ....................................................................................................... 173
Table. 41 Presupuesto Estudios previos ..................................................Presupuesto

Table. 42 Presupuesto Diseño CAD ..........................................................Presupuesto
Table. 43 Presupuesto Elaboración memoria ..........................................Presupuesto
Table. 44 Presupuesto Fases ....................................................................Presupuesto
Table. 45 Presupuesto Total desglosado .................................................Presupuesto
Table. 46 Presupuesto Prototipo .............................................................Presupuesto
RESUMEN
Capítulo 1. Antecedentes 22
PARTE I: INTRODUCCIÓN
El objetivo de este proyecto es explicar en detalle todo el proceso de diseño de
una “Impresora 3D capaz de crear múltiples objetos simultáneamente”.
Para ello, en primer lugar se le presentarán al lector descripciones sobre las

diferentes partes que forman una impresora 3D como base para entender toda posible
mejora. A pesar de ello, y si se desea profundizar aún más en el tema, se recomienda
como mejor opción el seguir e indagar en las diferentes referencias que van citándose a lo
largo del texto. Afortunadamente, las tecnologías de impresión 3D son relativamente
modernas, por lo que hay una gran cantidad de información de calidad digitalizada y
accesible para todo el mundo en diferentes páginas webs. El panorama es incluso mejor,
pues estas tecnologías suelen estar basadas en licencias del tipo “Creative commons1” y
similares, cuya base es el acceso libre y gratuito. Debido a esto es sencillo encontrar
innumerables fuentes de información y una gran comunidad de desarrolladores deseosos
de ayudar a cualquiera que quiera iniciarse. El mejor ejemplo de esta mentalidad de
compartir es la página de tipo wiki “Reprap.org”.
Además de lo anterior, cabe destacar que el punto principal del proyecto no es

explicar cómo funciona o se ensambla una impresora 3D, sino centrarse en conseguir una
mejora competitiva como es la impresión de múltiples objetos. Pese a todo en esta
memoria se encontrarán explicaciones generales para sentar los antecedentes
necesarios.
Capítulo 1. Antecedentes
1.1 IMPRESIÓN 3D
En primer lugar, ¿qué es imprimir? Una definición sencilla podría ser “marcar en
papel u otro substrato con letras o cualquier otro carácter gráfico”. La diferencia entre
imprimir y la impresión 3D reside en que en el segundo caso se logra un producto
tridimensional.
Las tecnologías de impresión 3D están basadas en las denominadas “tecnologías

de procesos aditivos”. Este concepto de fabricación aditiva describe a las tecnologías en
las que un objeto es creado mediante la definición de una secuencia de capas. En otras
palabras, una sección transversal es impresa en un substrato 2D, y mediante el
1
Creative Commons es una organizacion no lucrativa, con sede en Mountain View, en el estado de
California. Esta organización fue creada para usar y compartir la creatividad y el conocimiento mediante una
serie de mecanismos jurídicos que lo permiten realizar de forma gratuita. [40]
movimiento de este substrato capa a capa en la coordenada Z, se obtiene un producto en

tres dimensiones.
Aunque todas las tecnologías de impresión 3D comparten las mismas bases, es

importante diferenciar entre “laser printing” y “fused deposition”. Las diferencias
principales son la fuente de calor y el material impreso. Este proyecto se va a centrar en
impresoras de plásticos, también conocidas como “hobby printers”. De cualquier forma, la
siguiente figura es un buen ejemplo de cómo estas tecnologías trabajan:
Fig. 1 Sistema de impresión 3D
Mediante esta tecnología es posible obtener diferentes piezas sólidas a partir de

un modelo digital y siempre sin usar las clásicas tecnologías de mecanizado. Además, una
de las ventajas principales es la capacidad de estas impresoras de crear casi cualquier tipo
de perfil en las diferentes piezas, con formas complejas que serían casi imposibles con
técnicas tradicionales. También destaca la capacidad de resultar en un objeto físico,
totalmente listo para el uso directamente desde el modelo 3D, sin necesidad de pasar por
otros intermediarios. [1]
1.2 HISTORIA DE LA IMPRESIÓN 3D
Diferentes procesos de impresión 3D han sido inventados y siguen en desarrollo

desde finales de 1970. Como en muchas de las tecnologías modernas, como por ejemplo
la informática, estas máquinas eran, en un primer momento, grandes, caras y con una
importante cantidad de limitaciones; pero con el paso de los años han pasado a ser más
baratas, fiables y de tamaño reducido.
De cualquier manera, es posible asegurar que la primera impresora 3D aparece en

torno al año 1984, cuando una tecnología denominada “stereolithography” fue inventada
por Charles Hull. Esta tecnología fue usada para crear un modelo 3D de una figura, y
permitió a los usuarios realizar pruebas de diseño antes de investigar en un proceso de
fabricación más realista. [2]
Después de esto, el siguiente hito en el desarrollo de la impresión 3D ocurre en

1987, con la invención del Sinterizado Laser Selectivo. Esta técnica fue desarrollada y
comercializada en 1987 por DTM (ahora filial de B.F. Goodrich), y consistía en un proceso
que fundía un polvo metálico mediante laser sobre el substrato, para crear el objeto
deseado. [3]
Entre 1988 y 1992 aparece la

tecnología de “Fused Deposition
Modelling (FDM)”. Esta tecnología
utiliza unas boquillas o cabezales y una
goma azul como método para crear los
objetos tridimensionales. Fue creado
por Scott Crump en 1988, el cual un
año más tarde fundó Stratasys, para
intentar convertir su diseño en algo
comercialmente viable. De hecho su
primera máquina de FDM salió al Fig. 2 FDM
Mercado en 1992 [4].
1993-1996: En estos años se patenta la “Impresión Tridimensional” (Three

Dimensional Printing 3DP). Dicha patente se desarrollo en el MIT y posteriormente fue
otorgada a Z Corp (ahora parte de 3D Systems), quien desarrolló la idea en su primera
impresora Z402 en 1996. Básicamente se basaban en un método similar a una impresora
de inyección de tinta estándar, pero siendo capaz de realizarlo en las tres coordenadas
del espacio. [3]
Posteriormente, en 1996 empieza a establecerse el termino Impresora 3D y la idea

de impresora auto-replicante mediante el desarrollo del proyecto RepRap [5].
Cabe destacar que en esta memoria se hará especial mención al proyecto RepRap.
Esto es debido a que sabiendo que actualmente hay diferentes páginas y comunidades de
impresores, en un primer momento este proyecto fue el que realizó la gran labor de
unificar a la comunidad de desarrolladores inicial. Además sentó las bases de las
diferentes ideas de impresión 3D y estableció las diferentes metas. Es también
importante mencionar de nuevo el uso de licencias creative commons y código abierto.
1.3 EL PROYECTO REPRAP
Las ideas básicas del proyecto RepRap están correctamente detalladas en el

documento que los creadores, D. Holland, G. O’Donnell y G. Bennett publicaron: Open
Design and the Reprap Project. [6], [7]
De cualquier forma, el mejor lugar para encontrar información es su propia web,

basada en un sistema wiki, www.reprap.org. En esta web ellos definen RepRap como:
RepRap es la primera máquina humana y auto-replicante para fabricación de

propósito general.
RepRap basa sus orígenes en una impresora gratuita, capaz de imprimir objetos
plásticos. Debido a que muchas de las piezas de una RepRap están hechas de plástico, y la
máquina puede a su vez imprimir esas piezas, se considera que es auto-replicante pues
pude crearse a sí misma, crear un kit que cualquiera puede
ensamblar con el debido tiempo y herramientas. Esto además
significa que si una persona posee una RepRap, puede
imprimir gran cantidad de objetos así como imprimir otra
RepRap para un amigo.
RepRap trata de generar máquinas auto-replicantes,

y haciendo estas gratuitamente para el beneficio de todos.
Usamos la impresión 3D para llegar a este fin, pero si usted
tiene otra tecnología capaz de crear copias de sí mismo y a su
vez ponerlo gratuitamente a disposición de todos, esta
comunidad es también la suya. Fig. 3 Impresora autoreplicante
RepRap.org es un proyecto comunitario, lo que significa que cualquiera es

bienvenido para editar y trabajar en las páginas del sitio, o incluso mejor, para añadir
nuevas creaciones. La web incluye instrucciones e información sobre como involucrase
plenamente con la comunidad.
RepRap fue la primera de las llamadas “impresoras 3D de bajo coste”, y todo el

proyecto RepRap está basado en código abierto y licencias públicas.
Es importante también mencionar otras páginas relacionadas con la comunidad de

impresores 3D como por ejemplo Thinginverse. [8] En esta página es posible encontrar un
inmenso directorio de piezas 3D dispuestas para ser impresas con cualquier impresora
3D. Todas ellas son gratuitas y disponibles públicamente.
1.4 DESARROLLO DE LA IMPRESIÓN 3D
A día de hoy, un gran número de procesos aditivos y comunidades de impresores

están disponibles para cualquiera, y debido a las ideas de código abierto y compartido ya
mencionadas, dichas comunidades están en continuo desarrollo. A continuación se
enumeran algunos de los ejemplos más relevantes de este tipo de comunidades:
• 3D printing Industry [9]

• 3D printer hub [10]
• Thinginverse [8]
• Fab@Home [11]
• Solidforum [12]
1.5 IMPRESIÓN 3D COMO NEGOCIO
Es importante realizar una diferenciación entre las típicas “hobby printers” y las
“impresoras industriales”.
1.5.1 Impresoras Hobby:
Teniendo en consideración que casi toda la tecnología está basada en código

abierto, sería fácil pensar que no existe un mercado activo asociado a estas impresoras
3D, pero la realidad es que sí existe dicho mercado y mueve una gran cantidad de dinero.
Esto es debido a todas las marcas relacionadas con los diferentes componentes y
consumibles que usan las mismas, desde las pequeñas ferreterías que suministran tuercas
y tornillos hasta marcas que venden kits completos casi listos para el funcionamiento. Es
posible encontrar un amplio catálogo de estos proveedores en internet y diversas
fuentes. Algunos ejemplos a destacar son:
• Impresoras RepRaps preensambladas: 3D Industries Australia, 3dStuffmaker,

ac123dc, BilbyCNC.com.au, BotMill, Mendbot Shop, Romscraj, Skb-Kiparis Ltd, The
Future Is 3D
• Kits completos RepRap: 3dStuffmaker, Create 3d, Reprap-Austria, ac123dc,
BotMill, eMAKER Huxley
• Otros kits: A2APrinter, flemingcnc Isaac, German RepRap Foundation (GRRF)
1.5.2 Impresoras Industriales
Empezando desde las típicas impresoras 3D de tipo “hobby” que cualquiera puede
construir, hasta diseños más avanzados, cabe destacar un importante mercado
emergente.
Un buen ejemplo sería la “Rapid Product Development Association of South

Africa”. Esta fue fundada en 1999 para representar a todos los impresores de la industria
en Sudáfrica. De acuerdo con dicha asociación, desde los primeros diseños de impresoras
3D, vendidos en 1991, el mercado ha crecido a gran velocidad. En el gráfico a
continuación se pueden ver estos datos más detallados, en concreto es apreciable que
Stratasys tiene la mayoría de las ventas en dicho país, seguido por 3D Systems. [14]
Fig. 4 AM Landscape
De cualquier forma, indagando un poco mas es fácil encontrar infinidad de

artículos al respecto en revistas y periódicos, explicando todas las ventajas de éstas
tecnologías así como sus posibles usos. Es importante mencionar que no hay que dejarse
llevar por el entusiasmo de algunos blogs, que en ocasiones exageran las posibilidades o
solo hablan sobre los usos más exóticos de dichas impresoras, normalmente para llamar
la atención del lector. De cualquier manera, se puede concluir que el mercado está dando
una buena respuesta a los productos y se espera que siga siendo así.
• Forbes Magazine: “3D Printing Industry Will Reach $3.1 Billion Worldwide by
2016.” [15]
• BBC News: “3D printer could help millions walk, say researchers.” [16]
• 3Ders: “Singapore to invest $500 million in 3D printing” [17]
Fig. 5 Infografía Mercado impresoras 3D [41]

1.6 VENTAJAS COMPETITIVAS
Durante el capítulo de antecedentes ya se han comentado algunas de las mejoras

o posibles ventajas de la tecnología de impresión en 3D que han ido apareciendo, pero
para sintetizar, las más relevantes se resumen a continuación.
1.6.1 Fabricación económicamente eficiente
Mediante una impresión 3D se necesitan menos recursos humanos participando

en las diferentes etapas del producto. Por ejemplo, un único diseñador podría crear un
modelo CAD de una pieza, y mediante dicho programa directamente imprimirla en su
impresora 3D. Esta pieza puede ser manipulada por cualquiera, lo que le da al diseñador
una importante información práctica y le permite redefinir los parámetros necesarios.
[18]
1.6.2 Producción rápida
Basándose en los mismos principios que el anterior punto, con esta tecnología es
posible construir, relativamente rápido, diferentes piezas. Esta puede ser una
competencia realmente interesante por ejemplo para una empresa que fabrique
pequeñas series de piezas pero de gran variedad, o para empresas de producción bajo
demanda. [19]
1.6.3 Ahorro de material
Comparando con una fabricación tradicional basada en un mecanizado común, la

cantidad de material desechado es mucho menor mediante esta tecnología. Obviamente
esto tiene una influencia en el coste final de la pieza producida.
1.6.4 Alta calidad y nuevos perfiles
Mediante la impresión 3D es posible lograr

una buena calidad superficial; dependiendo siempre
de la calidad de la impresora y de los materiales
utilizados. Además, cabe destacar que esta tecnología
permite producir piezas con ciertos perfiles que serían Fig. 6 Ejemplo de pieza de formas complejas
imposibles o muy costosas mediante procesos
tradicionales.
1.6.5 Económica
Como se ha mencionado anteriormente, este proyecto está basado en el estudio

de las impresoras de tipo hobby. Dichas impresoras son baratas y enfocadas a reducir al
máximo los costes. Incluso las impresoras de tipo industrial empiezan a tener un precio
muy asequible para cualquier empresa considerando las posibilidades que son capaces de
dar. [20]
1.7 DESVENTAJAS DE LA IMPRESION 3D
Al igual que con las ventajas, es importante mencionar también las limitaciones
que esta tecnología posee. Muchas de estas desventajas serán tratadas con más detalle
en capítulos posteriores, especialmente haciendo hincapié en como solventarlas.
1.7.1 Material
Al margen de los avances más recientes o el

uso de tecnologías aditivas de tipo láser, las
impresoras hobby se ven limitadas respecto al tipo
de material que son capaces de utilizar. Dichas
impresoras únicamente pueden funcionar con
algunos tipos de polímeros. Es cierto que dichos Fig. 7 Rollos de ABS
polímeros tienen unas propiedades mecánicas y
térmicas bastante razonables, pero aun así pueden ser insuficientes para algunos usos.
1.7.2 Estructura
Es posible afirmar que estas impresoras

pueden producir piezas de formas realmente
interesantes e innovadoras, además con una precisión
muy razonable, pero esto solo se consigue teniendo
ciertas consideraciones. En ocasiones la pieza a
imprimir debe incluir algunas estructuras de soporte o
añadidos capaces de evitar colapsos.
Fig. 8 Estructura de soporte
1.7.3 Tamaño del producto impreso
Las impresoras 3D incluyen ciertas limitaciones respecto al tamaño máximo de la

pieza a fabricar. Normalmente esto es debido a las estructuras y carriles requeridos para
la máquina, así como en muchos casos limitado por el tamaño de la superficie caliente
sobre la que se realiza la impresión. Un tamaño normal de pieza es en torno a
200x200x200 mm. Por supuesto hay excepciones, como algunas impresoras creadas para
piezas de gran formato, pero éstas no son habituales.
1.7.4 Productividad
Esta podría ser una de las razones principales que han llevado a la realización de
este proyecto. Se ha mencionado el hecho de que se puede considerar a estas impresoras
como de “producción rápida”, pero es importante ser consciente de que este valor es solo
en términos generales. La impresión 3D puede hacer que todo un proceso de fabricación
completo sea más breve, pero el tiempo de impresión en si mismo suele ser alto, siendo
de varias horas en piezas grandes y complejas.
¿No sería magnífico poder reducir estos tiempos? ¿Qué ocurriría si pudiéramos
obtener dos, cuatro o incluso diez veces el número de piezas en el mismo tiempo? Esto
implicaría una clara mejora de la productividad y una importante reducción de costes.
Capítulo 2. Objetivos del proyecto 32
PARTE II: LA IMPRESORA 3D: DISEÑO GENERAL

Capítulo 2. Objetivos del proyecto
Tal y como se ha mencionado en la introducción, el objetivo de este proyecto es
diseñar una impresora 3D que sea capaz de realizar múltiples copias simultáneamente,
pero una vez más, ¿Por qué sería esto interesante?
En el ultimo capitulo se han descrito ciertos aspectos sobre la productividad de las

impresoras 3D. Aumentar esa productividad es el auténtico objetivo. Puede haber
diferentes maneras de llegar a ese resultado, pero en este caso la seleccionada ha sido el
aumentar el número de piezas producidas en cada serie de impresión, o en otras
palabras, imprimir cuatro copias del mismo objeto en el tiempo en el que normalmente
se obtendría solo uno. Para lograr esto se ha decidido utilizar una solución sencilla:
diseñar una impresora que tenga cuatro boquillas, lo cual resulta en cuatro objetos.
Pero, ¿cómo lograr esto?
Capítulo 3. Partes principales, problemas de diseño y posibles mejoras
Fig. 9 Esquema de componentes de una impresora 3D
3.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE UNA IMPRESORA 3D
En las siguientes páginas se pueden encontrar descripciones sobre las posibles

piezas o componentes principales que podrían diferenciar a una impresora 3D.
Además, tras la debida descripción detallada de cada parte, o incluso durante la

misma, se discernirá sobre algunos aspectos, con el objetivo de contrastar diferentes
ideas hasta alcanzar un diseño óptimo pero de carácter general.
Capítulo 3. Partes principales, problemas de diseño y posibles mejoras 33
Aparte
arte de ello, en las próximas páginas
páginas también aparecerán algunas ideas para
resolver los diferentes problemas encontrados. Se definirán desde nuevas aplicaciones
hasta combinaciones de ideas previas enfocadas de una manera diferente. De cualquier
forma, ambos
bos métodos finalmente proporcionarán una buena muestra de posibles
diseños, por lo que con el fin de llegar a una conclusión lo más clara posible, estas
diferentes opciones serán clasificadas, cuando sea posible, mediante tablas o cuadros.
Además, aplicandodo diferentes métodos de comparación
comparación como por ejemplo el cálculo
mediante factores, algunas ideas serán descartadas y otras serán consideradas como de
más valor.
Posteriormente, tras estas comparaciones y descripciones por etapas, en el

Capítulo 5, los dos diseños considerados como los más interesantes serán presentados
para una última decisión.
3.2 EXTRUSOR
El extrusor es una de las partes más

importantes de la impresora. La L función
principal de esta pieza es conseguir guiar
correctamente la fibra de filamento desde el
“inicio frio” hasta el “final
final de fundido”, en la
boquilla. Además, un buen extrusor debe ser
capaz de dosificar con suficiente precisión el
filamento. La velocidad del extrusor es también
un factor relevante.
Se define como “inicio frio” a la parte Fig. 10 Extrusor dentado

inicial del cabezal, donde la temperatura es
menor que la de fusión de la fibra. Sirve como guía de deslizamiento del filamento y debe
asegurar que el plástico llega recto y continuadamente al “final de fundido”.
fundido”
Por otro lado, el “final de fundido”

es donde ocurre la fusión. Este punto va a
ser explicado con más detalle en la parte
técnica de diseño, pero para sintetizar, se
puede describir como una boquilla de
latón que es calentada mediante unos
resistores. Este calor calienta el plástico
de manera que este funde y se produce la
deposición del ABS sobre el substrato.
Fig. 11 Sistema de extrusión
El extrusor básicamente funciona mediante un tornillo que es taladrado

tangencialmente (generando una hendidura) y que gira sobre su eje. Esta hendidura se
sitúa enfrentada a la cara tangencial de un rodamiento capaz de girar, dejando
únicamente un pequeño hueco para el paso de la fibra. Mediante este sistema y el giro
del tornillo la fibra es empujada a través de este hueco.
Cabe destacar que el extrusor debe ser capaz de proporcionar la fuerza necesaria
para extrudir la fibra a través de la boquilla, la que siempre tiene una sección menor
(normalmente alrededor de 0.4 y 0.5 mm para filamentos de alrededor de 1,75 y 3 mm).
Además, esta extrusión se debe realizar a la velocidad adecuada. [21], [22]
3.2.1 Problemas típicos en extrusores
Los problemas principales se pueden resumir en:
• Peso.
• Control y cableado.
• Precio: motor.
• Vibraciones.
• Deslizamientos en el filamento.
Además, mencionar que como una pieza más que es, cada extrusor significa más
objetos, más peso y la necesidad de un motor que a su vez requiere ser cableado.
Teniendo en cuenta el lema “lo simple es lo mejor”, aparece la idea de intentar reducir al
máximo las piezas, con el fin de reducir estos costes. [22]
3.2.2 Posibles mejoras en extrusores
Desde el momento en que las características de la impresora a diseñar requieren

el uso de cuatro filamentos pasando a través de cuatro boquillas, es necesario definir
cómo conseguirlo de la mejor manera posible.
Los casos podrían ser divididos en tres:
a) Un extrusor remoto: Mediante un único extrusor, que consiga de alguna

manera impulsar cuatro filamentos
b) Cuatro extrusores remotos: En este caso cada extrusor se encarga únicamente

de un filamento. Es el diseño más común en las impresoras 3D simples.
c) Cuatro extrusores no remotos: ubicados sobre la boquilla. Este diseño es muy

parecido al anterior, pero en este caso cada extrusor se encuentra
directamente ubicado sobre la boquilla adecuada
Mediante el uso de un extrusor remoto se puede concluir que hay una reducción
en el número de piezas que deben estar en constante movimiento, lo que se traduce en
no tener que mover una cierta masa. Además con menos extrusores, menos piezas son
requeridas en total, lo que también implica una reducción de coste. [23]
Por otro lado, el uso de extrusores remotos puede implicar algunas

complicaciones como falta de agarre, enredamientos o dobleces en la fibra. Por ejemplo,
los diseñadores del extrusor “Bowden” hablan de un importante efecto de histéresis.
Cada extrusor hace sufrir a la fibra un efecto de compresión, el cual si ésta es demasiado
larga se puede multiplicar. Ellos propusieron como solución a este problema el uso de
“encoders” en cada filamento, pero por supuesto esto implica un cierto coste así como la
necesidad de cablear dicho control. [23]
Fig. 12 Extrusor de Ed Bowden
En un diseño en el que el substrato o “cama térmica” se está moviendo en un eje

y el cabezal se mueve en los otros dos, el peso de dicho cabezal sí tiene influencia; pero
cuando el cabezal está completamente fijo y es el substrato el que realiza todos los
movimientos cabe destacar que la masa del cabezal ya no es relevante. En este segundo
diseño solo se debe considerar la diferencia de precio de cada pieza, pero no los gastos en
la energía para mover esa masa. De cualquier forma, este aspecto del diseño será tratado
nuevamente en el epígrafe dedicado al substrato o “cama térmica”.
Otro aspecto a considerar durante el diseño del extrusor es el camino que va a

seguir la fibra. Esta debe ser correctamente guidada mediante un sistema de puntos fijos
y tubos que eviten posibles enredos entre las diferentes fibras o con las partes mecánicas
de la impresora. [24], [23]
3.2.3 Comparativa entre las diferentes opciones
Siguiendo a lo descrito en los puntos anteriores, se podría concluir que lo mejor

para llegar al mejor diseño es estudiar las partes necesarias de un extrusor y considerar
cuánto dinero costarían y cuanta energía se consumiría en su funcionamiento. Para
definir mejor esto, en el siguiente punto se puede observar una clasificación de las
diferentes partes principales de un extrusor típico.
3.2.4 Componentes impresos
La ventaja principal de estos componentes ya ha sido mencionada, pero de

cualquier forma, y basándose en la idea de “auto-replicante” la intención es utilizar el
mayor número de piezas que puedan ser a su vez provenientes de otra impresora 3D. En
este caso se considera como precio de la pieza únicamente el coste en material ABS.
Para estimar ese precio, se ha utilizado el modelo en SolidWorks creado de la

impresora, y utilizando una densidad del ABS en torno a 1,02 g/cm3 y considerando un
precio en torno a at 30$/Kg (Ver tabla de materiales, elemento 67).
Cantidad Descripción Precio Masa Esquema

($) (g)
1 Bloque de extrusión 1.31 43.7
Fig. 13 Bloque de estrusor

Wade
1 Alojamiento para el bloque 0.16 5.25
Fig. 14 Bloque de
alojamiento Wade
1 Rueda conductora de 11 dientes 0.03 0.9
Fig. 15 Rueda Wade 1
1 Rueda conducida M8 de 39 0.39 13

dientes
Fig. 16 Rueda Wade 2
Total 1.89 $ 62.85 g

Table. 1 Extrusor dentado. Componentes impresos [25]
3.2.5 Componentes no impresos
Este grupo incluye tuercas, rodamientos y algunos elementos estructurales como

los carriles. La mayoría son piezas que se producen masivamente por lo que los precios
suelen ser bajos. Además, destacar que algunos de estos componentes ofrecen ciertas
ventajas competitivas o propiedades que el ABS no puede alcanzar.
Cantidad Descripción Tipo Precio Peso Peso total

($USD) (g) (g)
Alimentador
2 Rodamientos 608 (monopatín) Rodamientos 2.72 27.2 54.4
1 M8×50 perno Pernos 0.4 24.9 24.9
1 M8 tuerca Pernos 0.1 3.2 3.2
4-5 M8 arandelas Pernos 0.1 2.54 12.7
Tornillo impulsor
1 Rodamientos 608 (monopatín) Rodamientos 1.36 27.2 27.2
1 M8×20 Tornillo 0.4 13.4 13.4
perfilado
4 M4×60 or M4×45 pernos de Pernos 1 4.7 18.8
cabeza hexagonal
4 M4 tuercas Pernos 1 0.57 2.28
8 M4 arandelas Pernos 1 0.45 3.6
16 M4 arandelas Pernos 0.5 0.45 7.2
Montaje
M3×10 tornillos Pernos 0.5 1 3
1 M3 prisionero Pernos 0.5 1 1
1 M3 tuerca Pernos 0.1 0.3 0.3
2 M4×20 tornillos Pernos 0.2 2.7 5.4
2 M4 tuercas Pernos 0.2 1 2
Total 181.48 g
Table. 2 Extrusor dentado. Componentes no impresos [25]
3.2.6 Componentes del motor y controlador
El motor es quizá el componente principal del extrusor. Éste motor debe ser capaz
de proporcionar el par necesario para mover la rueda dentada que a su vez gira el tornillo
perfilado. Existe un gran catalogo de motores aptos para esta función. En la tabla a
continuación se presentan los ejemplos más habituales. [26] [27] [28]
Unidad Coste por Coste por 4 Peso por Peso para cuatro
unidad (USD $) unidades (USD $) unidad (g) unidades(g)
Motor de Pololu 1 Kg- 52 560
pasos cm
Pololu Hybrid 20 350
3.17 Kg-cm
Unidad de control del 10 40 10 40
motor A4988
Total 30 92 360 600
Table. 3 Comparaciones de motores de pasos
Como se puede ver, la tabla esta diferenciada entre el uso de una y cuatro
unidades. La diferencia reside en que en el caso de usar solo un único motor, este tiene
que ser el más potente, Poulu Hybrid 3.17, para garantizar la extrusión de los cuatro
filamentos. En el caso de usar cuatro motores diferentes si es suficiente con utilizar unos
menos potentes
3.2.7 Tornillo perfilado
El tornillo perfilado consiste en un

tornillo estándar que ha sido modificado
para adaptarse adecuadamente a la forma
del filamento y de esta manera hacer que
el mismo sea impulsado. Esta adaptación
normalmente es simplemente un taladrado
tangencial al tornillo. [25] Fig. 17 Tornillo perfilado
Además, otra ventaja de este tipo de diseño es que la rosca remanente en el

tornillo ayuda al empuje de la fibra sin que esta deslice o haya problemas de falta de
fricción.
3.2.8 Comparación final sobre extrusores
PESO (g) PRECIO($USD)

UN ÚNICO EXTRUSOR 594 42
CUATRO EXTRUSORES 1577 142
Table. 4 Comparación de extrusores
Tras las diferentes consideraciones previas, aqui se presenta una tabla

comparativa sobre el uso de uno o cuatro extrusores. Destacar que mediante el uso de un
único extrusor se ahorran 100 USD $ y además no hay necesidad de ensamblar la misma
pieza cuatro veces. Adicionalmente, mediante este único extrusor solo es necesario
mover 594 gramos en lugar de 1577 cuando el cabezal imprime.
3.3 MOVIMIENTO LINEAL EN COORDENADAS X E Y
Tras conocer el funcionamiento básico de una impresora 3D es una consecuencia

directa la necesidad de estudiar las diferentes configuraciones cinemáticas. Básicamente,
para contextualizar, destacar que en este ámbito existen dos soluciones diferenciadas:
movimiento lineal basado en un carril perfilado o movimiento mediante barras y
rodamientos.
3.3.1 Basado en dos barras lisas y rodamientos
Este es quizá el diseño más barato y el más fiel a la filosofía reprap de reducción
de coste y uso de piezas imprimibles. Destacar que siempre son necesarias el uso de dos
barras paralelas ya que si solo se usara una, el motor podría girar sobre sí mismo y
convertir el sistema en inestable.
3.3.2 Basado en un carril perfilado
Este tipo de diseño normalmente es el usado en impresoras más profesionales. Es

posible utilizar desde servos y deslizaderas premontadas a adquirir únicamente los
carriles; pero por otro lado este sistema es más caro. Destacar, eso sí, la gran variedad de
marcas que venden este tipo de sistemas cinemáticos.
3.3.3 Robot delta
Más bien a modo do testimonial, se presenta aquí un sistema menos habitual pero
con algunas ventajas relevantes. La diferencia principalal de este diseño es que no está
basado puramente en el movimiento en coordenadas
coordenadas ortogonales X-Y,
X sino que de hecho
se basa en un movimiento mediante brazos y coordenadas en paralelogramos [29]. Es una
tecnología muy interesante y aún
aún en desarrollo, pero su ventaja principal es la eficiencia
en los movimientos.
ientos. Por otro lado supone algunas dificultades adicionales en la
calibración y en la programación de los movimientos. [30] [31]
3.3.4 Tabla de comparación de sistemas cinemáticos

cinem
Modelo Ventajas Inconvenientes Peso Coste Imagen

Barras lisas y Barato Require más Ligero Barato
rodamientos Simple espacio
Relativamente
fácil
cil de montar
Uso de piezas
imprimibles
Fig. 18 Barras y cojinetes
Rail perfilado Mayor precisión

precisió Complejo de Pesado Caro
Menor fricción
fricció fabricar de
Mejores manera autónoma
propiedades Más caro
estructurales
Fig. 19 Railes perfilados
Delta robot Rápido Más complejo de Medio El más

Cinemática
tica calibrar, diseñar y caro
diferente programar
Movimientos No válido para
muy efectivos piezas demasiado
grandes
Fig. 20 Robot delta
Table. 5 Comparacion de sistemas cinemáticos

3.4 BOQUILLA
Como boquilla se denomina el componente que tiene

las siguientes funciones:
3.4.1 Calentar y fundir la fibra de ABS Fig. 21 Boquilla
Existen diferentes diseños capaces de conseguir esto, pero en general consiste en

un resistor (o varios) conectados a un bloque de un material de alta conductividad.
Después, otra pieza con forma cónica adosada a ese bloque.
3.4.2 Guiar y concentrar la impresión
Como se ha mencionado, la boquilla incluye una pieza de

forma cónica, diseñada para concentrar adecuadamente la fibra
sobre un punto muy pequeño, lo cual define la precisión de la
impresora. Normalmente el diámetro de la boquilla oscila entre
los 0.5 y los 2 milímetros, dependiendo de la fibra que se utilice.
Aparte de todo lo anterior, una boquilla tiene otros

requerimientos, como son la instalación de un control
adecuado, mediante termistores2. Además de eso las Fig. 22 Bloque de boquilla
resistencias deben ser correctamente cableadas y toda la
boquilla fijada mediante una estructura firme que evite en la mayor medida posible las
vibraciones [32].
Otro tema relevante es el aislamiento térmico.

Estas boquillas, normalmente hechas de latón tienen
las ventajas mencionadas, pero en ocasiones su buena
conductividad térmica puede convertirse en un
inconveniente: cuando las resistencias calientan la
Fig. 23 Tipos de boquilla
boquilla, éste calor tiende a subir mediante conducción,
alcanzando algunas partes de la fijación que podrían estar hechas de plástico, por lo que
pueden llegar a fundir o a deformarse. Además, este calor en las partes superiores de la
boquilla hace que la fibra funda antes de tiempo llegando a taponarse todo el cabezal. En
algunas ocasiones ciertos diseñadores han optado por el uso de ventiladores o materiales
aislantes para resolver estos problemas.
2
Un termistor es un tipo de resistor cuya resistencia varía significativamente con las variaciones de
temperatura del mismo.
De cualquier forma, en el ámbito de las boquillas existen diferentes mejoras

posibles, pero ninguna relacionada directamente con un aumento de la productividad de
la impresora, por lo que no van a ser tratadas en más detalle a lo largo de este proyecto.
Por último, en la siguiente tabla aparece una comparativa sobre cómo distribuir en
el espacio las diferentes boquillas de la manera más eficiente. En los croquis, el color rosa
representa el substrato o cama y en negro el volumen de los cabezales y su área de
trabajo. [25]
Nombre Ventajas Inconvenientes Croquis (vista en plano)

Cruzado -El perfil tubular actúa como
en X guía
-Mayor eficiencia de espacio
-Distribución de masas
equilibrada
Fig. 24 X-crossed nozzles
Cruzado -El perfil tubular actúa como -Menor eficiencia en

en + guía el uso del espacio
Fig. 25 Cross crossed nozzles
Linear en -Posibilidad de ensamblaje -Flexión y vibraciones

eje Y modular -Fuerzas
-Útil para impresoras desequilibradas
estrechas
Fig. 26 Linear Y nozzles

Linear en -Mejor diseño para evitar -Menor eficiencia en

eje X problemas estructurales el uso del espacio
-Permite el uso de cuatro -Resulta una
motores diferentes para impresora muy ancha
alimentar el plástico
Fig. 27 Linear X nozzles
Cartesio -Mejores propiedades Diseño complejo y

estructurales caro
Fig. 28 Impresora Cartesio
Table. 6 Distribución de boquillas
3.5 SUBSTRATO O CAMA TÉRMICA
Hablar de impresión siempre va de la mano de hablar de substratos. En la

impresión 3D no existe substrato como tal, únicamente existe una lámina o superficie
donde el material extruido es depositado.
La función principal de la cama térmica es acoger la impresión y a su vez prevenir

que la pieza se deforme. Básicamente, cuando el plástico extruido se enfría, aparecen
ciertas tensiones y se comprime ligeramente. Esto no es un problema si bajo la nueva
capa existe una capa anterior que aun esta enfriándose, pero cuando este fenómeno
ocurre en los límites o esquinas, la pieza se deforma debido a una difusión demasiado
diferenciada. Mediante el uso de una lámina caliente se soluciona este fenómeno,
permitiendo además extraer muy fácilmente la pieza tras la impresión. [33], [34]
De cualquier forma, es importante realizar una serie de comprobaciones y valorar

las diferentes propiedades antes de elegir el mejor método para esta cama térmica:
• Rigidez de la cama.
• Adherencia de la cama.
• Planicidad.
• Amortiguación de las vibraciones.

• Tamaño de la cama térmica.
• Cinemática de la cama térmica.
La mayoría de estas propiedades son estudiadas con detalle en la versión

extendida de esta memoria y omitidas en este resumen. No así la configuración del
movimiento de la cama térmica, que tiene especial relevancia:
3.5.1 Movimiento de la cama
La impresión puede ser realizada de diferentes modos [37]:
-Moviendo solo la cama
-Moviendo solo el cabezal
-Combinación de ambos métodos
Aparentemente el mejor sistema sería uno que únicamente moviera el cabezal,

dado que la cama, al ser más pesada implica un mayor consumo de energía. Pero llevado
a la práctica este diseño tiene una importante limitación: durante el movimiento en el
que un eje esta deslizando, el motor del eje opuesto debe estar libre para poder a su vez
transmitir un movimiento simultaneo en la otra coordenada, tal y como se muestra en la
siguiente figura.
Consecuencia de estos requerimientos es un diseño más complejo, pesado y difícil

de ensamblar aunque a su vez mas estable estructuralmente.
Fig. 29 Movimiento relativo cama-cabezal
Debido a todo lo anterior, el diseño utilizado por la mayoría de los impresores

consiste en una mezcla de ambos tipos de movimientos: mediante un motor desplazar en
la coordenada X el cabezal y mediante otro desplazar en la coordenada Y la cama. En ese
caso ambos motores pueden ser independientes.
Una nueva discusión comienza respecto al movimiento en el eje Z. Nuevamente se

podría elegir entre mover el cabezal o el movimiento de la cama térmica.
Capítulo 4. Comparativa de diferentes diseños 46
Capítulo 4. Comparativa de diferentes diseños

4.1 TABLAS DE COMPARACIÓN
Durante este capítulo se presentan una serie de tablas que contraponen las
diferentes opciones de diseño analizadas en esta primera etapa del proyecto, intentando
contrastar las ventajas e inconvenientes para alcanzar el diseño óptimo.
REQUERIMIENTO POSIBLE VENTAJAS INCONVENIENTES

SOLUCIÓN
Extrusión de 4 4 extrusores Menos masa movida Diseñar como asegurar la
filamentos remotos alimentación y evitar la
histéresis
Extrusores Basado en el diseño Más caro, pesado y más
sobre el típico piezas requeridas
cabezal
Fusión de 4 Boquilla PTFE Fiable y barata Ensamblaje
filamentos
Movimiento en las Guías de acero Barato y posible de Fricción, inestabilidad,
coordenadas X e Y templado y conseguir mediante ensamblaje y poca precisión
cojinetes partes simples
Raíl perfilado Precisión, fácil de Precio
ensamblar, mejores
propiedades
estructurales y menor
fricción
Movimiento en la Sistema de Basado en el extrusores Poca precisión, riesgo de
coordenada Z poleas Wade, barato y ligero rotura, necesidad de
calibración, histéresis en el
cable
Tornillo sin fin Barato, preciso, fácil de Necesidad de útil mecánico
(1 motor) cablear y movimiento para el movimiento
solo cuando es simétrico
requerido
Tornillo sin fin Peso balanceado, Necesidad de calibración de
(2 motores) precisión y movimiento los motores
solo cuando es
requerido
Cama térmica Cuatro camas Fácil de ensamblar, buen Pesado, necesidad de
conectadas aislamiento calibración
Almacenamiento de Rollo remoto y Simple -
ABS guía de nylon
Cableado de los Aislantes Barato Requerimientos de espacio
motores plásticos y buen diseño
Estabilidad Tubos y Barato Frágil
estructural cojinetes
Raíles Variedad de opciones, Caro
perfilados fiable
Table. 7 Requerimientos y soluciones

Factor
Otras
Precio Energía Ensamblaje Disponibilidad Precisión consideraci Valor
ones total
Diseño
(menos
Coeficiente es mejor)
1 1 0,8 1 1 0,8
Valor otorgado multiplicado por el coeficiente
Un extrusor
1 1 1 1 1,5 1 5,1
remoto
Dos
extrusores 2 2 1,5 1,3 1 0,8 6,14
remotos
Cuatro
extrusores 3 2,5 2,5 3 1,5 1,5 10,2
remotos
Cuatro
extrusores
2,5 3 3 3 1,2 0,8 10,24
sobre el
cabezal
Sistema de
1 1 0,8 2 1,5 1 5,94
poleas
Guiado
mediante 1 1 1 1 1 0 3,8
tornillo
Tornillos y
1 1 2 1,5 1 0 5,1
cojinetes
Raíl
2 1,5 1 1,1 1 0 4,4
perfilado
Cama
termina 2 1,5 3 2 1,5 0 7,4
artesanal
Cama
térmica 3 1 1 1,5 1 0 4,3
premontada
Lámina de
1 2 2,5 2 2 0 8
aluminio
Diseño
1 1 3 3 2 1 9,2
modular
Robot Delta 3 1 3 3 1 0 7,4
Table. 8 Comparativa de diseños mediante factores

4.2 CONCLUSIONES PRINCIPALES DE LA COMPARATIVA
• Un extrusor remoto es la forma más ligera y barata de alimentar el

filamento, pero tiene ciertas complicaciones de diseño que deben ser
correctamente solventadas.
• Mover únicamente el cabezal podría ser una decisión óptima en cuanto a
términos energéticos, pero en la práctica no es siempre el método utilizado
debido a su complejo diseño.
• El uso de dos motores diferentes en cada lado parece ser la mejor opción
para el movimiento en la coordenada Z
• La posición del cabezal debe ser correctamente elegida y equilibrada
• Las camas térmicas premontadas son más fáciles de montar en diseños
más complejos
Cabe destacar que en estas primeras conclusiones de las diferentes disyuntivas de

diseño no aparece siempre destacada la que finalmente se va a desarrollar. En otras
palabras, estos puntos previos solo definen algunas ideas generales, pero posteriormente
algunas decisiones pueden ser tomadas aunque en apariencia resulten contradictorias a
estas sentencias.
Capítulo 5. Concretando el diseño definitivo 49
PARTE III: NUEVOS DISEÑOS

Capítulo 5. Concretando el diseño definitivo
Tras contextualizar las tecnologías más actuales en impresión 3D, mencionar los
problemas típicos y sus posibles soluciones así como los criterios para obtener los
mejores resultados, en esta capitulo empieza la parte de diseño más real, donde nuevas
ideas aparecen y deben ser estudiadas para llevarlas a la práctica.
Mediante las tablas de comparación utilizadas ha sido posible derivar en una serie
de condiciones que pueden ser buenos criterios para un diseño optimo, pero la realidad
es que las diferentes relaciones existentes entre cada componente convierten la decisión
del diseño optimo en algo más complicado de lo esperado, y siempre difícil de clasificar
por lo que en muchos casos la decisión final es el sentido común.
En las siguientes páginas los considerados como los dos diseños más interesantes
son presentados, comparando las diferentes ventajas e inconvenientes de cada uno.
5.1 PROPUESTA DE DISEÑO 1
Consistente en dos extrusores independientes, con dos boquillas por cada

extrusor. Mediante el emplazamiento de un cabezal encima del otro, aparece una
estructura de diseño modular. Además se propone el uso de un sistema de poleas para el
movimiento en la coordenada Z.
¿Por qué este diseño?
Los dos extrusores independientes dan al sistema la ventaja de poder imprimir dos
sets de piezas independientes (o por ejemplo cuatro piezas pero en dos colores). Esto
otorga una mayor flexibilidad, pero por otro lado tiene el inconveniente de que un
mínimo de dos sets de control para el motor son necesarios.
Dado que este diseño se basa en la ventaja competitiva de imprimir dos sets de
piezas independientes, podría ser aun una mayor ventaja si mediante la mencionada
construcción modular se pudieran añadir bloques para aumentar el número de sets
consecutivamente. Debido a que una de las limitaciones de la impresora a diseñar es que
la misma debe ser transportable a través de una puerta normal (en torno a 800mm de
ancho) siendo como mucho parcialmente desmontada, el diseño no puede desarrollarse
modularmente en anchura, pero si podría hacerlo en altura. Surge entonces la idea de
unos módulos apilables verticalmente, fáciles de ensamblar y que cada uno permita
obtener dos piezas más.
Esta idea de diseño modular y fácilmente ensamblable aparece en otros muchos

campos tecnológicos y siempre ha sido un buen sistema para mejorar la productividad y
la eficiencia, pero por otro lado este tipo de sistemas requiere un diseño avanzado, que
estudie como realizar fácilmente esos acoplamientos.
Respecto al sistema de poleas, es posible encontrar algunos ejemplos de

impresoras basadas en él en diferentes foros. Es una tecnología muy interesante en la
que continuar investigando, especialmente porque permite realizar el movimiento en la
coordenada Z elevando una masa considerable con una relativamente baja cantidad de
energía.
Por otro lado, para este diseño basado en la modularidad, podría ser una gran idea
el uso de raíles estandarizados y perfilados. La industria que fabrica estos raíles ha tenido
unas buenas cuotas de mercado precisamente porque es un sistema relativamente
barato pero de alta utilidad ya que el raíl tiene un doble uso: servir como guía para los
desplazamientos y a su vez como estructura base de la máquina. Además su relativa
estandarización permite el uso de diferentes componentes y accesorios de gran utilidad y
a un precio asequible.
Diseño 1 Flexibilidad
Nuevo concepto Ventaja adicional
Dos extrusores independientes Diferentes sets de piezas
Construcción modular Flexibilidad, facilidad de uso y buen almacenaje
Formato apilable Eficiencia en el uso de espacios
Complejo sistema de conexiones Fácil ensamblaje
Sistema de poleas Ligero y flexible en alcance de altura
Raíl perfilado Mejores propiedades estructurales y facilidad de montaje
Table. 9 Diseño 1
Para resumir, combinando la idea de

múltiples impresoras conectadas en serie
mediante este diseño modular apilable, es
posible obtener una torre de impresoras,
capaces de fabricar una gran cantidad de
piezas en un espacio reducido.
Por último, se concluye que este

diseño no va a ser desarrollado mas allá de
este punto, tal y como se argumentará en el
epígrafe 5.3, pero algunas de las ideas,
criterios y conclusiones si van a ser
utilizadas para el desarrollo del diseño final.
Fig. 30 Montaje modular

5.2 PROPUESTA DE DISEÑO 2
Basado en un montaje similar a la impresora “printrbot”, y comenzando con la

idea de “lo simple es lo mejor” pero clarificando que en ocasiones es importante asegurar
algunas propiedades importantes mediante piezas de alta calidad y fiabilidad, a
continuación se presentan algunos de los puntos base del diseño que finalmente va a ser
estudiado en este proyecto.
Su ventaja técnica principal será el hecho de que en este caso sólo el cabezal es la
pieza que está en movimiento, mientas que la cama térmica permanece estática.
Mediante esto, habrá un ahorro de energía en dicho movimiento (importante ya que tal y
como se ha mostrado la cama es una de las piezas más pesadas) pero por otro lado será
necesario diseñar un sistema de raíles y carros adecuado. Es por ello y por los
requerimientos estructurales por lo que se decide utilizar raíles perfilados.
Además, otro importante requisito de este diseño va a ser un buen acabado visual
así como una zona de trabajo de aspecto limpio y accesible, sin marcos que dificulten la
manipulación de la pieza [38].
Fig. 31 Impresora printrbot
Al margen de las consideraciones anteriores, será necesario realizar el diseño de

un cabezal y unas boquillas en las que las mismas estén correctamente distribuidas.
Valorando el espacio disponible, parece la decisión más lógica el utilizar una distribución
lineal de las mismas a lo largo de la coordenada X, tal y como se muestra en el siguiente
croquis:
Fig. 32 Croquis de distribución de las boquillas
Por tanto, los conceptos principales de este diseño se pueden resumir como:
Diseño 2 Fiable y área de trabajo accesible

Nuevo concepto Ventaja adicional
Basado en el diseño del robot Area de trabajo accessible. Buena eficiencia especial y seguridad
printrbot en el manejo
Fiabilidad Fiabilidad
Boquillas distribuidas en X Cabezal equilibrado y proporcionado
Un único extrusor Ahorro
Uso de raíles perfilados para Fiabilidad y firmeza estructural
X-Y-Z
Un único cabezal móvil Ahorro energético
Cama estática La pieza no se deforma durante la impresión debido a vibraciones
de la cama
Transmisión mediante Movimiento preciso y solo cuando es requerido
tornillo sin fin en la
coordenada Z
Table. 10 Diseño 2
5.3 DECISION FINAL
Tras la propuesta de los dos diseños más interesantes, se ha decidido centrar el

proyecto únicamente en el “Diseño 2”. Esta decisión se ha tomado para llegar a lograr los
mejores resultados y poder realizar un estudio profundo de dicho diseño ya que no es
posible abarcar todas las opciones. De cualquier forma, el concepto principal de este
primer diseño descartado, que es la modularidad es una idea realmente poderosa y que
se recomienda para futuros estudios.
Capítulo 6. Visión general del proceso de diseño 53
PARTE IV: DISEÑO CAD

Capítulo 6. Visión general del proceso de diseño
Tras la parte más conceptual del diseño, comienza aquí un estudio más detallado,
con disyuntivas más concretas. Durante las próximas páginas se va a llevar a cabo un
diseño completo mediante el uso de SolidWorks3.
Como en muchos procesos de diseño, algunos inconvenientes van a presentarse, y

sus posibles soluciones serán en ocasiones tomadas gracias a procesos iterativos y de
prueba y error. Con la idea de intentar describir estos procesos de la manera más clara
posible, el diseño de la impresora va a ser dividido en diferentes hitos consistentes en las
partes principales de la impresora. Además, algunos de los requerimientos base de la
impresora serán nuevamente concretados y redefinidos.
Destacar también que debido a que para cada problema pueden aparecer diversas
posibles soluciones, para resumir, al finalizar el epígrafe perteneciente a cada parte de la
impresora, se presentara un cuadro que sintetizará las decisiones tomadas al respecto. En
algunas ocasiones estas decisiones finales pueden venir acompañadas de algunos cálculos
en los casos en que sean necesarios.
Debido a que este proyecto puede ser leído de diferentes formas, desde un lector
que lo lee de la página inicial a la final, hasta otro lector que solo quiere consultar algunos
epígrafes para comprobar ciertos aspectos del diseño. Es por ello, que para ayudar a
contextualizar a los lectores del primer tipo, a continuación se presenta una imagen del
resultado de la primera etapa del diseño CAD, la cual permita desarrollar mejor el
imaginario de la máquina y entender correctamente el diseño, su funcionamiento y las
diferentes decisiones tomadas. De cualquier forma esta imagen no debe ser considerada
como un resultado final, ya que el mismo se presenta en la última parte de la memoria.
3
SolidWorks es un programa de diseño 3D mecánico (CAD, Computer aided design) el cual se
ejecuta bajo el sistema operativo de Microsoft Windows y ha sido diseñado por Dassault Systemes
Solidworks Corp., filial de Dassault Systemes. SolidWorks tiene actualmente una comunidad de alrededor de
2 millones de usuarios a lo largo de más de 165.000 compañías en todo el mundo. En el año 2011 los
ingresos de SolidWorks fueron de más de 483 millones de dólares.
Capítulo 6. Visión general del proceso de diseño 54
Fig. 33 Diseño completo en fase alfa
6.1 LIMITACIONES DIMENSIONALES
Una de las limitaciones en las que es posible optimizar el diseño es en el tamaño

de toda la máquina. Durante todo el proceso de diseño esto ha sido un punto clave en la
toma de decisiones. Además, estas dimensiones máximas han sido la referencia a la hora
de idear el resto de los componentes. Bajo la limitación infligida por las dimensiones
máximas de la cama térmica así como sus otros inconvenientes (ver punto 3.5.5), ninguna
pieza impresa puede sobrepasar dicho límite.
Además, una de las definiciones iniciales de la impresora es que la misma debe ser
capaz de ser transportada a través de una puerta estándar de 800x200 mm sin tener que
ser desmontada más allá de algunos componentes.
Respecto a las piezas resultantes, esta impresora será capaz de crear objetos con
un tamaño de hasta 290x290x500 mm. En el ámbito de las impresoras 3D de ABS esto
podría ser considerado como una de las de mayor formato.
Capítulo 7. Extrusor y rollos de filamento 55
Capítulo 7. Extrusor y rollos de filamento

El extrusor que esta impresora va a utilizar es una mezcla entre el diseño que
realizó Ed Bowden y el diseño de Wade. En otras palabras, consistirá en el típico extrusor
de Wade, pero que consigue guiar la fibra a la boquilla de manera remota mediante el
uso de un cable Bowden (nylon).
7.1 MOTOR
El primer componente a mencionar en un extrusor es obviamente el motor que lo

mueve. Dicho motor debe ser capaz de desplazar los cuatro filamentos. El motor más
utilizado suele ser un Nema 17 (ver lista de materiales, objeto 6). Dicho motor tiene las
siguientes especificaciones:
Fig. 34 Nema 17
Propiedad Unidad FL42STH47-1684A FL42STH47-1206A (used in 4-wire

(4-wire) mode)
Voltaje medio V 2.8
Corriente/Fase A 1.68
Resistencia/Fase Ω 1.65
Inductancia/Fase mH 2.8
Par Kg-cm 4.4
Inercia del rotor g-cm2 68
Peso kg 0.35
Par resistente g-cm 200
Tamaño mm 48
Table. 11 Especificaciones Nema 17
Propiedad Especificación
Ángulo de paso 1.8 grados
Precisión de ángulo de paso ±5% (por paso, sin carga)
Precisión de resistencia ±10%
Precisión de inductancia ±20%
Incremento de temperatura 80.C Max
Temperatura ambiente -20.C~+50.C
Resistencia aislante 100MΩMin. ,500VDC
Fuerza dieléctrica 500VAC para un minuto
Velocidad máxima 300 rpm
Table. 12 Especificaciones Nema 17-2
7.2 RUEDAS DENTADAS
Estas ruedas están también basadas en las estándar del extrusor Wade. El
principio operativo del extrusor, motor y ruedas dentadas mediante tornillo perfilado ya
ha sido explicado, por lo que aquí solo se comentan algunos detalles. Como se ha dicho el
sistema de ruedas dentadas se utiliza para conseguir una relación de transmisión
adecuada y un movimiento preciso. Estas ruedas pueden ser fácilmente obtenidas
mediante otra impresora 3D, resultando:
Fig. 35 Rueda dentada pequeña Fig. 36 Rueda dentada grande
7.3 CÁLCULOS DE PAR
Al margen de las propiedades anteriormente descritas, aquí aparece una cuestión

relevante: ¿será el par que otorga el motor o la relación de transmisión suficiente para
mover correctamente los filamentos? (Cálculos resumidos)
Es posible realizar una comprobación de dicha relación de transmisión:
Zଵ 11
= = 0.28205
Zଶ 39
Donde Z1 y Z2 son el número de dientes de cada rueda.

grados
1.8 ∗ 0.28205 = 0.50769
paso
݉݉
2ߨ‫ = ݎ‬2ߨ ∗ 4.875 = 30.631
݃݅‫݋ݎ‬
30.631 ݉݉
∗ 0.50769 = 0.0432
360 ‫݋ݏܽ݌‬
ܸ݀‫݈݋‬ଵ = ‫ ݎߨ = ݈݀ܣ‬ଶ ݈݀
ܸ݀‫் ݈݋‬௢௧௔௟ = 4ߨ‫ ݎ‬ଶ ݈݀
ܸ‫் ݈݋‬௢௧௔௟ = 4ߨ ∗ 0.875ଶ ∗ 0.0432 = 0.4156 ݉݉ଷ /‫݋ݏܽ݌‬
ߩ = 1020 ݇݃/݉ଷ
1020
‫= ݏݏܽܯ‬ ∗ 0.4156 = 4.239 ∗ 10ି଻ ݇݃/‫ = ݋ݏܽ݌‬4.239 ∗ 10ିସ ݃/‫݋ݏܽ݌‬
1000000000
7.4 VELOCIDAD LIMITE DE EXTRUSIÓN
Otra restricción importante para la velocidad de impresión global, al margen de las

ya mencionadas como las masas y la precisión es la cantidad de filamento que el extrusor
es capaz de desplazar a través del perfil de la boquilla. Asumiendo un diámetro de
boquilla de 0,5 mm y con los datos previos: (cálculos resumidos):
ܸ‫் ݈݋‬௢௧௔௟ = 0.4156 ݉݉ଷ /‫݋ݏܽ݌‬
0.4156
= 0.529 ݉݉/‫݋ݏܽ݌‬
4 ∗ ߨ ∗ 0.25ଶ
300 ∗ 360 ݀݁݃‫ ݏ݁݁ݎ‬1000 ‫ݏ݋ݏܽ݌‬
= 1800 =
60 ‫ݏ‬ ‫ݏ‬
‫݋ݏܽ݌‬
1000 ∗ 0.28205 = 282.05
‫ݏ‬
Velocidad máxima de extrusión por cada boquilla:
݉݉
0.529 ∗ 282.05 = 149.25
‫ݏ‬
7.5 RESUMEN DE DISEÑO DEL EXTRUSOR
A continuación se presenta una pequeña tabla resumen para sintetizar el diseño

final del extrusor y sus conclusiones:
Requisito Solución Modelo

Estabilidad Buen
estructural diseño
Motor y Pernos
anclajes
Alimentación de Tornillo
cuatro fibras perfilado
Suficiente par y Ruedas
precisión dentadas y
relación de
transmisión
Fig. 37 Extrusor diseñado
Table. 13 Tabla resumen del extrusor

Capítulo 8. Cama térmica 59
Capítulo 8. Cama térmica

8.1 RESUMEN DE DISEÑO DE LA CAMA TÉRMICA

Estructura ligera y Diseño simple y
estable plano
Fig. 38 Cama térmica simple
Estructura Juntas entre

suficientemente grande cada bloque de
(4 camas) sujeción de la
cama.
Diseño modular
Fig. 39 Conexión entre bloques de camas
Conexión entre las Cuatro pernos

camas M6 en cada
esquina
Fig. 40 Bloque sujeción camas
Calibración de altura Diseño correcto

Eficiencia térmica y de arandelas y
aislamiento tuercas dobles
para los tornillos
de las esquinas
Fig. 41 Tornillos reguladores de altura

Capítulo 8. Cama térmica 60
Fig. 42 Diseño Final de la cama térmica
Table. 14 Resúmen de diseño de la cama térmica

Capítulo 9. Cabezal y bloque de sujeción de las boquillas 61
Capítulo 9. Cabezal y bloque de sujeción de las boquillas

9.1 CONSIDERACIONES GENERALES
El cabezal es una de las piezas más

importantes de este proyecto, ya que su
diferenciación con el resto de modelos
habituales es lo que marca la mayor ventaja
competitiva de esta impresora, permitiendo
ubicar cuatro bloques de boquilla en una única Fig. 43 Modelo de cabezal
pieza.
Además, dicho cabezal también es una pieza relevante debido a que marcará la
precisión con la que la impresora trabaja. Se deberá llegar a una solución de compromiso
entre un material barato pero suficientemente rígido, que permita alcanzar el tamaño
deseado pero sin grandes vibraciones.
9.2 TEST MECÁNICO
Al margen de algunas consideraciones previas que se han omitido en este

resumen a continuación sigue una versión sintetizada del análisis mecánico realizado
sobre la pieza en cuestión. Cabe mencionar que dichos análisis se detallan en profundidad
en el anexo de estudios mecánicos, todos ellos realizados gracias al modelo 3D y al
añadido de elementos finitos de SolidWorks.
A modo de ejemplo se definen con algo más de detalle los pasos necesarios para
realizar el estudio mecánico de este caso, por ser el primero. Por razones de brevedad
dichos pasos se omitirán en la memoria en posteriores estudios.
9.2.1 Selección de la pieza a estudiar
En primer lugar, y tras modelar la

pieza a estudiar, hay que definir
correctamente que partes se quieren
estudiar. Además hay que indicar el tipo de
material y sus propiedades asociadas.
Fig. 44 Selección de la pieza de estudio

9.2.2 Restricciones de movimiento
En este paso hay que introducir las

fijaciones a las que el material está
sometido. En este caso las diferentes
paredes y taladros, así como la cara
necesaria para la simetría.
9.2.3 Fuerzas externas

Fig. 45 Restricciones de movimiento
A partir de la masa calculada (dato

del modelo mediante SolidWorks) y del valor de la gravedad, se calculan las fuerzas
estáticas. No se consideran otras fuerzas de tipo dinámico ya que tras contrastar algunos
datos se ha comprobado que estas no tienen la suficiente relevancia. Únicamente se
aplicará un cierto factor de corrección en los casos en los que fuera necesario,
ଵ଴଴
ଵ଴଴଴
∗ 9.8 = 0.98 ܰ
Por lo que se supondrá un valor de

aproximadamente 1N por cada bloque de
sujeción de la boquilla.
Destacar, que a la hora de la

valoración de los resultados, el máximo
permisible de deformación será de 0.05 mm Fig. 46 Resumen de fuerzas
en la coordenada vertical. Este valor se ha
estimado tras contrastar diferentes ejemplos usados por otros impresores así como por
otras experiencias previas. Valores de vibraciones mayores que el mencionado resultan
en una pieza de baja calidad o deformada.
9.2.4 Resultados de la simulación
En este punto se presentan resumidamente los resultados de las tensiones Von

Mises y las deformaciones que sufre la pieza.
Fig. 47 Von-Mises
Fig. 48 Deformación
Como se puede ver, las tensiones no son en ningún caso críticas pero si las
deformaciones, que alcanzan los 0,72 mm en el extremo. Tal y como se ha mencionado
este valor excede el límite establecido, por lo que el diseño debe ser optimizado.
Para ello se produce una iteración en los cálculos, probando diferentes modelos,
intentando aligerar la estructura y fortalecer la parte con mayor deformación mediante el
uso de nervios. Tras algunas pruebas e intentos de modificar la sección e incrementar el
ángulo de la barra de soporte se comprueba que las deformaciones siguen siendo muy
elevadas. También se valora la idea de introducir una pieza interior de acero que rigidice,
pero se descarta por el peso añadido que implicaría.
La solución final se traduce en una nueva elección de material. Tras nuevas

comprobaciones se decide utilizar un aluminio aleado. Por supuesto esto implica un
aumento en el coste al no poder ya ser una pieza impresa en ABS, sino un componente
que ha de ser fabricado por otras vías, pero en este nuevo modelo el resultado es óptimo.
Fig. 49 Deformaciones cabezal aluminio
Tal y como se puede apreciar en este caso la deformación es de tan solo 0.02 mm
en el peor de los escenarios. Se concluye pues que el diseño es válido.
9.3 RESUMEN DE DISEÑO DEL CABEZAL

Estructura ancha Dos o más piezas
atornilladas
Fig. 50 Conexión simétrica del cabezal
Ligereza y estabilidad Eliminación de material

sobrante y diseño de
nervios
Fig. 51 Nervios del cabezal
Conexión a las boquillas Cuatro pernos M6 en

cada bloque
Alimentacion de la fibra Pequeños agujeros de
a la boquilla guiado
Fig. 52 Conexión del bloque boquilla
Conexión al sistema Pieza impresa

cinemática y su carril estandarizada por
80/20 adosada al carro
del rail
Fig. 53 Conexión al carro

Conexión con la correa Machos atornillados a

de movimiento la correa
Fig. 54 Conexión de la correa
Ausencia de vibraciones Test mecánico, elección

de nuevos materiales,
aluminio
Fig. 55 Test mecánico del cabezal
Fig. 56 Diseño final del cabezal
Fig. 57 Resumen de diseño del cabezal

Capítulo 10. Boquillas 67
Capítulo 10. Boquillas

10.1 RESUMEN DE DISEÑO DE LAS BOQUILLAS

Diseño básico de la boquilla Solución hecha en latón
Fig. 58 Boquilla
Conexión al cabezal Cuatro pernos por cada boquilla
Evitar deformaciones Pequeña separación entre boquilla y

térmicas cabezal
Fig. 59 Conexión al cabezal
Fig. 60 Bloque sujeción boquilla
Table. 15 Resumen de diseño de las boquillas

Capítulo 11. Raíles perfilados 68
Capítulo 11. Railes perfilados

11.1 CONSIDERACIONES GENERALES
Existe un amplio abanico de marcas que ofrecen diferentes soluciones similares de

raíles perfilados. Se basan en las ventajas ya explicadas en la parte de contextualización
del proyecto, que son el permitir el desplazamiento y el actuar como estructura de
soporte.
Fig. 61 Ejemplos de marcas de raíles
Para la realización de este proyecto se ha elegido el uso de los raíles de serie

métrica 25 de la marca 80/20 Inc. Básicamente la decisión se ha tomado valorando el
gran catálogo de raíles y accesorios que ofrece la marca, así como su reducido precio y la
posibilidad de realizar estimaciones de deformaciones mediante un software propio y
gratuito (tema que se tratará en el Capítulo 12).
Fig. 63 Railes de la marca Open Rails Fig. 62 Rail metric 25

11.2 RESUMEN DE DISEÑO PARA EL MOVIMIENTO EN LA COORDENADA X

Raíl estable Raíl perfilado de 500 mm
marca 80/20 Inc
Fig. 64 Raíl perfilado
Conexión con el Carro estandarizado de

cabezal 80/20
Movimiento sobre
la coordenada
Fig. 65 Carro
Motor con correa y

rodamiento
Fig. 66 Correa y rodamiento

Motor, correa y soporte
Fig. 67 Motor y correa
Conexión a la Pequeños agujeros para

coordenada Y la fibra y ubicación algo
descentrada para un
correcto equilibrio
Fig. 68 Conector de brazo
Limites en el Finales de carrera de

movimiento goma
Fig. 69 Tope de goma

Fig. 70 Final raíl X
Table. 16 Resumen de diseño de la coordenada X

11.3 RESUMEN DE DISEÑO PARA EL MOVIMIENTO EN LA COORDENADA Y

Raíl estable Uso de raíl de
500 mm
estandarizado
de la marca
80/20 Inc.
Fig. 71 Raíl perfilado
Movimiento a lo Compra de
largo de la carro
coordenada estandarizado
por 80/20
Topes de final
de carrera de
goma
Motor y
transmisión por
correa
Fig. 72 Movimiento en Y
Estabilidad Uso de dos

estructural columnas
simétricas
Fig. 73 Columnas simétricas
Fig. 74 Final Y
Table. 17 Resumen de diseño de la coordenada Y

11.4 RESUMEN DE DISEÑO PARA EL MOVIMIENTO EN LA COORDENADA Z

Desplazamiento a lo Carro estandarizado
largo de la coordenada por 80/20 Inc.
Conexión mecánica a la Placa y pernos al
coordenada Y carro adosando el
carril
Fig. 75 Sistema de movimiento en Z
Transmisión del Motor Nema 17 y

movimiento pieza de sujeción con
análisis mecánico
previo
Fig. 77 Brazo Z
Fig. 76 Pieza de sujeccion del motor en Z

Sistema de tornillo
sin fin colocado en la
posición correcta
Fig. 78 Alojamiento tornillo sin fin
Conexión a la base Pieza estandarizada

por 80/20 Inc.
Fig. 79 Pie estandarizado

Fig. 80 Final Z
Table. 18 Resumen de diseño de la coordenada Z

Capítulo 12. Cálculos estructurales mediante Toolbox 77
Capítulo 12. Cálculos estructurales mediante Toolbox

12.1 INTRODUCCIÓN A TOOLBOX
Tras haber definido con el mayor detalle posible todas las especificaciones de la
impresora así como realizado un diseño completo en CAD, sigue a continuación un breve
análisis de las posibles vibraciones y deformaciones que sufrirían los brazos de la misma.
Pese a que ya se han realizado estudios mecánicos en los anteriores epígrafes, la idea de
realizar un nuevo análisis independiente reside en la importancia de los mismos.
Para ello, en este apartado se ha utilizado un software independiente a

SolidWorks denominado “TechToolkit”. Este programa se distribuye mediante la página
web del proveedor de los carriles perfilados, 80/20 Inc. y es una poderosa herramienta
para realizar comprobaciones de diseño. En concreto, en este caso se introducirán
diferentes esfuerzos aplicados en las condiciones más desfavorables, obteniendo como
resultado el desplazamiento del carril asociado a esa situación. [39]
Otra de las funciones de este capítulo es servir también a título de ejemplo del uso
de este software, para que pueda ser utilizado en la comprobación de diferentes
variantes de la impresora diseñada o de otros modelos. Por supuesto es importante
mantener una visión de conjunto y comprender que este test debe ir asociado a otras
comprobaciones y al correcto diseño de todas las piezas.
Fig. 81 80/20 Toolbox

Capítulo 12. Cálculos estructurales mediante Toolbox 78
12.2 RESULTADOS DEL TEST MEDIANTE TOOLBOX
Para poder obtener la carga máxima a soportar por el brazo sin superar la máxima
deformación permisible, es necesario introducir una serie de parámetros, que se pueden
resumir en los siguientes:
• En primer lugar el diseñador debe seleccionar el tipo de perfil. En este

caso, Metric 25-2550
• Después, seleccionar el tipo de deformación en función de los puntos de
fijación. En este caso dos empotramientos
• Seleccionar la longitud del carril: 600 mm
• Iterar ciertos valores de carga hasta acercarse al máximo (pero un valor
inferior) permitido.
• La carga máxima es 38 kg.
Fig. 82 Resultados mediante toolbox

Capítulo 13. Resultados 79
PARTE V: CONCLUSIONES
Capítulo 13. Resultados
El resultado de este proyecto podría resumirse como la creación del modelo de
una impresora 3D casi lista para funcionar. Por supuesto, considerando que este proyecto
tiene una orientación académica, hay que mencionar que ciertos aspectos no han podido
ser detallados en profundidad, con la idea de en su lugar poder abarcar un conocimiento
más amplio y genérico.
El proyecto comienza con un objetivo muy claro: Diseñar y construir una

impresora 3D que sea capaz de crear múltiples objetos simultáneamente. Para ello, en la
PARTE I es posible encontrar una serie de epígrafes con información existente sobre esta
novedosa tecnología a modo de contextualización y antecedentes. Se describen ciertos
aspectos sobre la historia, el mercado actual, y las ventajas e inconvenientes principales.
A continuación, en la PARTE II se da una visión general algo más detallada sobre

una impresora 3D. Esta visión amplia ayuda a sentar las bases de los posibles conceptos a
desarrollar. Con dichas bases, y conociendo las limitaciones habituales de dicha
tecnología, en la PARTE III se realiza un acercamiento a las posibles mejoras y se concluye
con la propuesta de los dos diseños considerados más interesantes.
En la PARTE IV, tras haber establecido los parámetros y características básicas de

la impresora a desarrollar, se procede al diseño completo del modelo CAD. Por supuesto
dicho diseño implica un gran trabajo que principalmente se puede observar ejecutando el
modelo con un programa simulador y actuando sobre él, pero de cualquier manera se
presentan los resultados de la manera más ordenada posible para el lector mediante
tablas e imágenes del modelo. Cabe destacar que esta es la parte más compleja del
proyecto en lo que al aspecto técnico se refiere, pero por otro lado el gran consumo de
tiempo se ve recompensado con un modelo muy detallado que una vez terminado
permite realizar una gran cantidad de estudios sobre él: análisis mecánico, prueba de
colisiones y cinemática, masas y centros de gravedad, etc.
Además, cabe mencionar que la orientación de este proceso no era realizar un

estudio mecánico en elementos finitos altamente detallado, sino ubicar éste en el marco
de un proyecto completo de diseño e intentar mostrar de la mejor manera posible los
diferentes discernimientos y decisiones que se han ido tomando y argumentarlos
correctamente.
Al margen de las especificaciones anteriores, este proyecto también adjunta, con

la idea de dar una visión aun más amplia, algunos anexos con diferente información,
desde análisis mecánicos detallados, hasta un presupuesto y diagramas de organización
de tiempos y recursos como por ejemplo un diagrama de Gantt.
Para resumir, a continuación se muestra en la siguiente figura lo que podría ser el

resultado final del modelo CAD. Además, en los dos siguientes capítulos se detallan las
contribuciones técnicas del proyecto así como diferentes ideas para futuros trabajos.
Fig. 83 CAD Final 1

Fig. 84 CAD Final 2

Capítulo 14. Contribuciones técnicas del proyecto 82
Capítulo 14. Contribuciones técnicas del proyecto

En este capítulo se presenta un breve resumen de las contribuciones técnicas
aportadas por el proyecto y consideradas de mayor relevancia.
a) El modelo CAD. Dicho modelo permite a otros futuros diseños comenzar a

partir de ciertas premisas de este modelo en lugar de comenzar desde
cero. Además, el modelo incluye la posibilidad de usar las diferentes
herramientas de SolidWorks u otro software CAD.
b) Los análisis mecánicos de las diferentes partes. Estos análisis dan una
buena base para asegurar cuando un diseño es fiable.
c) La definición de las partes criticas. El clasificar algunas piezas con mayor

importancia para las propiedades estructurales facilita el diseño y distingue
de las de menor relevancia.
d) Tablas de comparación y factores. Dichas tablas son una buena solución

para cualquier otro diseñador que quiera contrastar diseños similares.
e) El contexto y los antecedentes. Son un buen resumen para todo aquel que
quiera conocer brevemente la historia de la impresión 3D y sus tecnologías
básicas.
f) Las ideas genéricas sobre la distribución de los cabezales.
g) Los diferentes problemas aparecidos y solventados durante la definición de

la cinemática básica de la impresora.
h) Los diferentes costes y datos sobre masas de piezas, útiles para todo aquel
que quiera sentar las bases de un nuevo modelo.
i) La lista de materiales, que en unas pocas páginas resume todas las partes
de la impresora, concretando materiales, precios y algunas referencias.
Chapter 15. Futuros trabajos 83
Capítulo 15. Futuros trabajos

De manera similar a otros proyectos con orientación académica, este tiene la
ventaja de abarcar un amplio rango de temas y puntos de vista, pero por otro lado tiene
el inconveniente de que en ocasiones ciertos temas no pueden ser estudiados en la
profundidad que sería deseable, o quedan aparcados para futuros proyectos.
Un buen ejemplo de un interesante diseño pospuesto para un posible trabajo es el

modelo planteado en el Capítulo 5.1, principalmente centrado en una estructura de
ensamblaje modular.
Además, a continuación se enumeran sucintamente una serie de ideas que

pueden ser interesantes para seguir trabajando en ellas:
a) Test mecánicos: Los test realizados aportan una gran cantidad de

resultados, pero sería posible profundizar aun mas o aplicar dichos ensayos
a mas piezas.
b) La distribución de los brazos y las boquillas: Esta podría ser quizá una de las
partes más subjetivas del diseño inicial. Sería realmente interesante
reestructurar el diseño utilizando otras distribuciones diferentes y
comprobando las ventajas de cada una.
c) Los materiales: En el proyecto se presentan diferentes piezas y hechas de
diferentes materiales. Normalmente la idea principal es usar ABS en la
medida de la posible, pero siendo conscientes de sus limitaciones
mecánicas. Futuros trabajos podrían versar sobre este campo, probando
diferentes materiales y viendo sus posibilidades.
d) Sistema de raíles perfilados y correas: La elección de este sistema abre un
gran abanico de posibilidades y disposiciones interesantes de desarrollar.
e) Cableado eléctrico: Aunque la estructura básica de los elementos
mecánicos es muy importante, es importante tener en consideración el
cableado eléctrico. Este tema se ha tratado brevemente en el proyecto
pero no ha sido desarrollado en profundidad en el modelo, por lo que sería
un tema interesante en el que seguir trabajando.
f) Transporte del filamento: De manera similar al cableado, es posible
detallar el modelo y realizar nuevos diseños.
g) El uso del robot delta.
h) El uso de otras Fuentes de calor para fundir el ABS así como por supuesto
el estudio de otras tecnologías como las impresoras 3D láser.
i) Desarrollo de un manual completo de montaje y funcionamiento.
MEMORIA
EN INGLÉS
Work course of
Mechanical Engineering
Design of a 3D printer
capable of creating
multiple objects
simultaneously
Student name: Rafael Bobo García
Student number: g0404599

Chapter 1. Background 88
PART I: INTRODUCTION
The goal of this project is to explain the complete design process of a 3D printer
capable of creating multiple objects simultaneously.
For that, here will be several descriptions of different parts as a base to

understand the possible improvements, but for a complete comprehension of how the
system works the best option is to follow the different references to previous designs.
Fortunately, 3D printing technologies are relatively new so there is a lot of information
digitalized and shared into different websites. And even better, these technologies are
usually based into the idea of sharing and common development so it is easy to find huge
amounts of information and a lot of people trying to help. The best example for this
“mentality of sharing” is the wiki “RepRap.org”.
Besides that, it is not the main point of this project to explain how a 3D printer is
made or how it works, because as said, the project will be focused into the competitive
advantage of multiple objects, even though, there will be also some general explanations
and background.
Chapter 1. Background
1.1 3D PRINTING
First of all, “what it is to print?” One simple definition could be “to mark in paper
or in other substrate with letters or any other graphic character”. The difference between
printing and 3D printing is that in the second case a three-dimensional product is made.
3D printing is based on the additive process technologies.
Additive manufacturing describes a technology where an object is created by a

sequential layering process. In other words, a cross section of the item is printed on a 2D
substrate, but by moving this substrate layer by layer on Z coordinate, the result is a three
dimensional product.
Although all 3D printing technologies share the same basics, it is important to

differentiate between laser printers and typical fused deposition. The main differences
are the heat source and the printed material. This project is focused into plastic printers
even though the following figure is a good explanation of these common 3D printing
principles and the working procedure.
Fig. 85 3D Printing system
With this technology is possible to make different solid pieces from a digital model
and without using the traditional machining techniques like cutting or removing material.
Furthermore one of the main advantages of this technology is the ability to create almost
any shape. Also it is important to mention the capability of result in a real object, ready to
use, directly from a computerized 3D model made by the designer. [1]
1.2 HISTORY OF 3D PRINTING:
Several different 3D printing processes have been invented and continue into
development since the late 1970s. Like in a lot of modern technologies as for example
computer science, these machines were, at the beginning, large, expensive and with a lot
of limitations; but time by time those have switched into cheaper, more reliable and
smaller machines.
However, it is possible to assert that the first 3D printer appears around the year
1984 when a technology called “stereolithography4” was invented by Charles Hull. This
technology was used to create a 3D model from a picture and allowed the users to test a
design before investing in a real manufacturing program. [2]
4 Stereolithography: The first SLA (stereolithographic apparatus) machine is produced by 3D

Systems. The machine’s process involves a UV laser solidifying photopolymer, a liquid with the viscosity and
color of honey that makes three-dimensional parts layer by layer. Although imperfect, the machine proves
that highly complex parts can be manufactured for example overnight with no supervision. [2]
After this, the next milestone on 3D printing development happens in 1987 with
the invention of the Selective Laser Sintering: Selective Laser Sintering (SLS) was also
developed and commercialized in 1987 by DTM (now a subsidiary of B.F. Goodrich), a
process that involves laser melting powder like substances to create an object. [3]
Between 1988-1992 becomes

the invention of Fused Deposition
Modeling (FDM): Fused Deposition
Modeling (FDM) uses nozzles and a
glue gun like method to create three
dimensional objects. It was the
brainchild of Scott Crump in 1988,
who a year later formed Stratasys to
make his vision commercially viable.
Their first FDM machine went on the
market in 1992. [4]
Fig. 86 FDM
1993-1996: In these years happened the invention of Three Dimensional Printing

3DP: Three Dimensional Printing (3PD) was patented in 1993 by MIT and later licensed to
Z Corp (now a part of 3D Systems), who developed the idea into the Z402 printer in 1996.
The method is similar to that of a standard inkjet printer, but prints upwards in 3D as
opposed to across in 2D. [3]
After all, in 1996 starts the term 3D printing and the self-replicating printers with
the RepRap project [5].
In this project there will be a special mention for the whole RepRap project. This is
because knowing that nowadays there are a lot of different webpages and communities,
at the beginning this project did a great job unifying a whole community of developers
and settled down the basic ideas of 3D printing and the future goals. It is also important
to mention again the idea of creative commons5 and open-source system that they used.
1.3 THE REPRAP PROJECT
The basic ideas of RepRap project are completely explained on the document that
the creators, D. Holland, G. O’Donnell and G. Bennett published: Open Design and the
Reprap Project. [6], [7]
5
Creative Commons is an non-profit organization, which main office is in Mountain View, in the
state of California. This organization is created to use and share creativity and knowledge with a number of
juridical mechanisms which are for free. [40]
However, the best place to find all the information is the wiki-based website that
was created [5]. On this website, they defined RepRap as:
RepRap is humanity's first general-purpose self-replicating manufacturing

machine.
RepRap takes the form of a free desktop 3D printer capable of printing plastic
objects. Since many parts of RepRap are made from plastic and RepRap prints those parts,
RepRap self-replicates by making a kit of itself - a kit that anyone can assemble given time
and materials. It also means that - if you've got a RepRap - you can print lots of useful
stuff, and you can print another RepRap for a friend…
RepRap is about making self-replicating machines, and making them freely

available for the benefit of everyone. We are using 3D printing to do this, but if you have
other technologies that can copy themselves and that can be made freely available to all,
then this is the place for you too.
Reprap.org is a community project, which means

you are welcome to edit most pages on this site, or
better yet, create new pages of your own.
Our community portal and New Development pages
have more information on how to get involved. Use the
links below and on the left to explore the site contents.
RepRap was the first of the low-cost 3D printers,

and the RepRap Project started the open-source 3D
printer revolution. It has become the most widely-used
3D printer among the global members of the Maker
Community. Fig. 87 Self-Replicating
It is important to mention also other related pages for the whole community of 3D
printing as for example Thinginverse. [8] On this website anybody can find a huge
directory of pieces to be printed with any 3D printer. All these pieces are for free and
publicly available.
1.4 CONTINUOUS DEVELOPMENT OF 3D PRINTING
Nowadays, a huge number of additive processes and Marker´s communities are

available for everybody, and due to the open source ideas aforementioned those are in
continuous development. It is possible to bring up a few of these communities just as an
example like:
• 3D printing Industry [9]

• 3D printer hub [10]

• Thinginverse [8]
• Fab@Home [11]
• Solidforum [12]
1.5 PRINTING AS A BUSINESS:
It could be now a good classification to separate into just typical hobby printers
and industrial printers.
1.5.1 Hobby printers:
About hobby printers, knowing that almost everything is open-source it could be

easy to think that this is not a real market, but indeed these printers move a lot of money.
This is because all the related brands which are selling different components, starting
from a small hardware store selling bolts to another brand selling complete kits of hobby
printers almost ready to work. Even more, it is possible to find a wide catalogue of these
3D printer suppliers, some selling for example only the wiring kit or the heated bed
equipment6. A good example of these brands could be:
• Fully Assembled RepRaps: 3D Industries Australia, 3dStuffmaker, ac123dc,

BilbyCNC.com.au, BotMill, Mendbot Shop, Romscraj, Skb-Kiparis Ltd, The Future Is
3D
• Full Reprapped Kits: 3dStuffmaker, Create 3d, Reprap-Austria, ac123dc, BotMill,
eMAKER Huxley
• Non-RP Kits: A2APrinter, flemingcnc Isaac, German RepRap Foundation (GRRF)
Many more can be found searching into RepRap and in other repositiories like blogs
and forums. [13]
1.5.2 Industrial printers:
From only the typical hobby 3D printers which almost everybody could build, and
based on RepRap principles; there is an emergent and growing market of different
specialized printers, each one with their differences.
6
These different parts will be explained properly during the whole document.
Also different enterprises are growing in this market. One simple example could
be the “Rapid Product Development Association of South Africa”. It was founded in 1999
as the representative organization for RP industry and community within South Africa.
According to RAPDASA, since the first 3D Systems SLA 250 was sold in 1991 the market
has grown rapidly and in 2011 there were approximately 268 machines sold. Statistics
from 2009/2010 shows Stratasys (through mainly Dimension/Uprint sales) had the
majority of 3D printer market in South Africa, around 47%, and 3D Systems is in the 2nd
place. [14]
Fig. 88 AM Landscape
However, going even further it is easy to find a lot of articles in magazines and
newspapers explaining these technologies and all the possible uses. Sometimes it is
important to be realistic and do not trust in everything that they propone, which in a few
cases are only exotic examples just for calling the attention of the reader. Anyhow it is
clear that the market is having a good response and hopefully this will continue growing
up.
• Forbes Magazine: “3D Printing Industry Will Reach $3.1 Billion Worldwide by
2016.” [15]
• BBC News: “3D printer could help millions walk, say researchers.” [16]
• 3Ders: “Singapore to invest $500 million in 3D printing” [17]
Fig. 89 3D printing market infography [41]

1.6 COMPETITIVE ADVANTAGES OF 3D PRINTING:
During the background some of the improvements or maybe the bases of possible
advantages of the 3D printing technology have appeared, but to summarize a little bit
here come the most important points.
1.6.1 Cheap manufacturing:
On 3D printing there is less human resource participating into the different stages.
For example only one designer can make a piece with his CAD program and directly print
it by a connected printer. With this he can make a prototype which everyone can see and
touch to check different aspects. In this way, designer can obtain feedback, refine design
and iterate until everything is correct. [18]
1.6.2 Quick production:
Based on the same principles than the previous point, with this technology it is
possible to make, relatively fast, different pieces. This could be really interesting for
manufacturing pieces by a small enterprise which does not have huge demand of pieces
or for example online on-demand manufacturing. [19]
1.6.3 No material loss:
Comparing with typical manufacturing of plastic, by 3D printing the amount of

generated waste is really low. This has a logical influence in cost because almost no
material is lose.
1.6.4 Good Quality and new shapes:
With 3D printing it is possible to achieve a

good quality, depending on the design of the printer
and the materials used. Even more, this technology
allows the designer to produce pieces with special
shapes or structures which with classical methods
could be impossible or really expensive and time
consuming. Fig. 90 New shapes
1.6.5 Affordability
This project is based on hobby 3D printers which have the explained principles of
self-replicant and being really cheap, but even industrial printers can be really cheap
comparing with other machines and the possibilities those give. [20]
1.7 DISADVANTAGES OF 3D PRINTING
Like with the advantages, here come some of the most important general
limitations of 3D printing. Of course these drawbacks will be treated and studied deeply
on later chapters and during the whole CAD design stage.
1.7.1 Material
Apart from recent developments or the use

of laser additive technologies, hobby 3D printers
have the limitation of the material. These only work
with a few kinds of polymers. It is true that these
could have some good properties, but still there are
limitations, especially about thermal and mechanical Fig. 91 ABS rolls
properties.
1.7.2 Structural
It is possible to ensure that these printers can

make really interesting and accurate shapes, but on
the other hand there are some requirements.
Basically, due to the layer by layer working system,
some designs could collapse if designer do not include
a proper support structure or some kind of extra
nerves. Fig. 92 Holding structure
1.7.3 Size
Because of different limitations of the printer like the size of the bed or the
structure of the kinematic system, these printers are a little bit limited about the size of
the piece which can print. It is usual to find heated beds with a size about 300x300 mm.
Of course there are some exceptions and printers made for making wider pieces but
however those are not the common ones.
1.7.4 Productivity
This could be one of the reasons for making this project. Mentioned above it is
possible to find as an advantage the “quick production” (1.6.2) and “cheap
manufacturing”(1.6.1) that these printers provides. But these ideas should be considered
into a relative manner. 3D printing can make the whole manufacturing process fast, or be
a quick solution for a strange piece, but indeed 3D printing is not a rapid process. It takes
a lot of time, hours, to print a piece.
Would not be great to do it faster? What if we get two, four or ten times the
amount of pieces into the same processing time? Of course this would mean a really
important cost reduction and a better productivity.
Chapter 2. Goal of the project 98
PART II: A 3D PRINTER

Chapter 2. Goal of the project
As mentioned in the introduction part, the goal of this project is to design a 3D
printer “capable of creating multiple objects simultaneously”, but once again, why this?
In the last chapter it has been mentioned the productivity of the printers. To
increase this productivity is the real goal. Of course there could different ways to achieve
that, but the selected is to build four objects in the time that a printer usually only would
make one. For this the solution is clear: use one printer but with four nozzles that prints
four copies.
But, how to do that?
Chapter 3. Main parts, design issues and improvements.
Fig. 93 3D printer schema
3.1 OVERVIEW OF A 3D PRINTER
On the next pages there are descriptions of the different possible parts which a 3D
printer could use.
Furthermore, after the description or even during that, several discussions are
showed in order to contrast different ideas to reach the optimal generic design for a 3D
printer. Of course on each part or property there are different criteria but in overall the
main goals are like in all typical Engineering products: A really working design, reliable
and trustworthy, good looking and cheap.
Chapter 3. Main parts, design issues and improvements 99
Besides that, there will be also some new ideas to solve the different issues. There
could be new applications or even combinations of older ideas ideas into a different way.
However, both methods finally give a lot of possible designs so, in order to t have a final
decision
cision as clearly as possible,
possible these different options are going to be classified, whenever
it might be, into charts. Applying different comparison methods as for example giving
factors some ideas will be dismissed and some other will be taken into deep
consideration.
After this comparison and description stage, in Chapter five,, the considered as the
two most interesting designs will be showed up.
3.2 EXTRUDER
Extruder is an important part of the

printer. The main objective
object of this piece is to
deliver properly the fiber filament from the
“cold end” to the “hot
hot end”
end of the nozzle. Also
a good extruder should be able to dose the
filament precisely. Speed of the extruder is
indeed an important factor.
factor
The cold end is the initial part of the

nozzle, which temperature is lower than the
melting point of the filament. It is used as a Fig. 94 Geared Extruder

guide
uide of slender filament to avoid its buckling
between extruder and the hot end.
end
On the other hand, the hot end is

where the “melting happens”. This point
is going to be explained deeply on the
finall design stage but for summarizing it
consist of a brass nozzle
n which is heated
by resistors. This heat melts
melt the plastic so
the plastic deposition can happen.
happen
Besides that, the working principle

of the extruder is a tangentially drilled
bolt (hobbed bolt) which is spinning
Fig. 95 Extruding system
around its axis. This bolt also faces a
bearing (which has a parallel axis). Both pieces are almost in contact,
contact, leaving only a small
gap for the filament. By this system the filament is pulled through this space.
Furthermore, the extruder needs a certain strength to be able to force the raw
material through the extrusion width, (usually between 1.75 and 3 mm for the filament
and 0.5 or 0.4 mm for the nozzle); and also with enough speed. [21], [22]
3.2.1 Typical problems of extruders
As shown, extruder is one of the most complicated parts of the printer so

sometimes it has more problems than other simpler parts. The main issues could be
summarized as:
• Weight.
• Control and wires.
• Price: Motor.
• Vibrations.
• Grip to the filament.
Furthermore, as any other part, each extruder means more pieces, more weight
and the need of a motor, which also demands wires and a control system. Keeping in
mind our lemma “the simpler it is the better” again appears the idea of avoid or reduce
all these parts somehow. [22]
3.2.2 Possible improvements in extruders
At the moment that the project requires to use four filaments to be delivered to
four nozzles, it is necessary to decide how to do that as the simplest way.
The cases could be divided in three:
a) One remote extruder: With this unique extruder the design somehow should
manage to pull of four filaments.
b) Four remote extruders: In this case each extruder has to take care only about
one filament. This is the most commonly used design, basically because almost all the
printers use only one fiber.
c) Four non-remote extruders, over the nozzle: This design is almost like the
previous one but now each extruder is placed over each nozzle. With this idea is possible
to avoid the typical problems of Ed´s Bowden extruder but of course it translates into the
requirement that each one should be moved. In other words, less printing speed and
more energy demanded.
By a remote extruder there is a reduction of the number of pieces which have to

be in constant motion, or in other words the continuous movement of a certain weight.
Also with less extruders, less pieces are needed so it consequences in a cost saving. [23]
By the other hand, in remote extruders some complications as lack of grip,

hysteresis, bending or twisting of the filament might appear.
For example, designers of Bowden extruders talk about hysteresis. For every
extruder there is a compression effect in the filament, but if this is long, such effect will
be multiplied, leading into springiness. They provided a solution which is using encoders
in every filament, but of course this implies an extra cost and more assembling problems.
[23]
Fig. 96 Ed´s Bowden Extruder
Besides that, it is important to qualify some details:
In the case that there is a bed moving in one axis and the header is moving in the
other two, the weight of the nozzle still has influence. But when the nozzle is not moving
at all and the bed is making all the motion, the mass of the header must not be
considered as an energy factor. In this second case designer only should take into account
the price. However this aspect of the design will be mentioned deeply at the design stage
of the heated bed.
Anyhow, a Bowden extruder also needs a path for the filament. This path should
be different on each design but basically it consists of two main parts:
• Different fix points which mark and guide the path of the filament, avoiding
collisions and knots.
• A tube or sleeve for guiding the filament. This tube should be stiff enough
but also it should bend at least into a minimal radius. Usual
recommendation is to use a simple Teflon tube. It is really affordable, with
good elasticity and also the coefficient of friction of PTFE (Teflon) with ABS
is low enough to not losing much energy. In addition, all these tubes are
standardized and can be easily found in almost every hardware store or
even on the internet. [24], [23]
3.2.3 Comparison of different options
Besides all the previous ideas, the best for making a general decision is to study
the needed parts of an extruder, and consider how much money and energy could be
saved using only one extruder for the four filaments. For that here follows a classification
of the different parts of a typical extruder. Of course all these parts may defer on every
design but it might be a good approximation. Moreover, it will be divided into printed
parts and bought parts.
3.2.4 Printed parts
The main advantage of these parts has already been mentioned, but anyways
based on the self-replicant idea is possible to get all this pieces by another 3D printer, so
the cost can be only the raw material. That means that the price is assumed only
multiplying the weight by the price of the ABS.
For the weight of printed parts, using the 3D model in SolidWorks and considering
ABS´s density about 1.02 g/cm3.
For the price, estimated ABS at 30$/Kg (see bill of materials, item 67).
Quantity Description Price ($) Weight (g) Diagram

1 extruder block 1.31 43.7
Fig. 97 Wade´s Extruder block

1 extruder idler block 0.16 5.25
Fig. 98 Wade´s Idler block
1 11 tooth drive gear 0.03 0.9

Fig. 99 Wade´s gear 1
1 39 tooth M8 hub driven gear 0.39 13
Fig. 100 Wade gear 2
Total 1.89 $ 62.85 g

Table. 19 Geared Extruder, printed parts [25]
3.2.5 Non-printed parts:
Non printed parts are the ones that cannot be made using 3D printing process.
This group includes fasteners, bearings, and some structural elements. As they are mass
produced parts, their prices are rather low. Also sometimes this pieces offer several
competitive advantages or properties that ABS printed parts cannot reach.
Quantity Description Type Comments Price Weight Total

($USD) (grams) weight (g)
Feeder
2 608 Bearings 13.6 $ pack of 10 2.72 27.2 54.4
bearings, 13.6 grams eachs
skateboard
bearings
1 M8×50 bolt Fastener to be hobbed, M8×60 has a 0.4 24.9 24.9
longer smooth part, allows a
second lock-nut, and may be
easier to find
1 M8 nut Fastener Nyloc works better, but a 0.1 3.2 3.2
pair of nuts will also work
4-5 M8 Fastener to space the large gear clear 0.1 2.54 12.7
washers of the motor retaining bolt

heads
Idler
1 608 Bearings 1.36 27.2 27.2
bearing,
skateboard
bearing
1 M8×20 Threaded 0.4 13.4 13.4
rod
4 M4×60 or Fastener Hex head will work best 1 4.7 18.8
M4×45 hex (they won't turn), and longer
head bolts than 45 mm will be easier to
assemble if you can find
them.
4 M4 nuts Fastener typically wing nuts 1 0.57 2.28
8 M4 Fastener 1 0.45 3.6
washers
16 M4 Fastener optional; 4 washers on each 0.5 0.45 7.2
washers M4X45 idler bolt between
the main block and the idler
block will limit the idler
travel and make reloading
filament easier.
Stepper Motor Mount
3 M3×10 Fastener Low profile bolt heads might 0.5 1 3
bolts work better here
3 M3 Fastener 0.5 0.4 1.2
washers
1 M3 grub Fastener To secure the pulley, ideally 0.5 1 1
screw 8mm long, but anything
6mm+ should be fine
1 M3 nut Fastener To secure the pulley 0.1 0.3 0.3
Extruder Mount
2 M4×20 Fastener 0.2 2.7 5.4
bolts
2 M4 nuts Fastener 0.2 1 2
2 M4 Fastener 0.2 0.45 0.9
washers
Total 181.48 g
Table. 20 Geared Extruder, Non printed parts [25]
3.2.6 Nozzle parts:
Quantity Description Unitary Total Unitary Total

weight weight price price
1 brass nozzle 8.7 g/cm3 11.5 20 € 20 €
1 brass heater block 8.7 g/cm3 8,6 3€ 3€
92 mm M3 threaded rod 5g 5g 0.095 € 0.095 €
58 mm M3 threaded rod 2.5 g 2.5 g 0.047 € 0.047 €
8 M3 nuts 0.29 g 2.32 - -

4 M3 washers 0.1 g 0.4 - -
~200 Kapton tape 1€ 1€
mm
~100 PTFE tape 1€ 1€
mm
1 3W, 5%, 6R8 vitreous wire-wound 1€ 1€
resistor, 200oC
1 glass-bead thermistor (100K, NTC) 0.5 € 0.5 €
200mm connecting wires - -
Table. 21 Nozzle parts
3.2.7 Stepper motor and stepper motor driver carrier:
Stepper motor can be considered as the most important part of the extruder. This
motor provides the needed torque to move the gear which then moves the rod. There is a
wide catalogue of stepper motors. Here follows an example of a possible one which is
provided by the brand Poulu. [26] [27] [28]
Unit Cost per unit Cost per four Weight per Weight per
(USD $) units (USD $) unit (g) four units (g)
Stepper Pololu 1 Kg-cm 52 560
motor Pololu Hybrid 20 350
3.17 Kg-cm
Steper motor driver carrier 10 40 10 40
A4988
Total 30 92 360 600
Table. 22 Stepper motor comparison
The difference is that in the case of using only one stepper motor, the more
powerful one, Poulu Hybrid with 3.17 Kg-cm torque should be used to guarantee the
extrusion of four filaments. Other option could be using a smaller motor with another
gear for a different transmission ratio, but in that case, the velocity of the extrusion
becomes a new problem.
Anyways, a good design of the piece in which the stepper motor is placed is
important, and it should allow a good movement of the filament with the idler.
Moreover, in the case of using one motor, the diameter and the position of the four fibers
should be taken into account.
3.2.8 Hobbed bolt:
After stepper motor, the hobbed bolt is other of the pieces which has an extra
relevance on the extruder. Basically it consists of a typical bolt (it is possible to use
different sizes, for example in this case M8x50). This bolt will be hobbed or modified to
adapt itself properly to the shape of the filament. In other words, with for example a drill,
a tangential drilling is made to the bolt. [25]
Another advantage of this system

is that the remaining thread of the bolt
act for helping the friction.
By the other hand, a new design

for the extruder is needed. This has to be
well minded, and it should allow a good
movement of the filament with the idler.
In the case of using one motor, the
Fig. 101 Hobbed bolt
diameter and the position of the four
fibers should be taken into account.
There are several ways for making the hobbed bolt, so one of these methods could
be used just with the change of making four slots instead of only one. Finally the decision
was not to make four slots, but to make only one but bigger. Also the space where the
bolt is sheltered should be reconsidered.
3.2.9 Final Extruder Comparison
Weight (g) Price ($USD)

ONE EXTRUDER 594 42
FOUR EXTRUDERS 1577 142
Table. 23 Extruder comparison
Note that in the case of using only one extruder we save 100 USD $ and also there
is no need to assemble the same thing four times, so assembling time is saved.
Furthermore, with this unique extruder 594 grams are moved instead of 1577
when there are four extruders over the nozzle (not considered the nozzles which are
always there).
3.3 LINEAR X AND Y MOTION
Knowing the basic way of work of a 3D printer it is clear that it needs some kind of
kinematics. Later on this project the different options for these movements are going to
be explained, but however a motion system is a mandatory requirement for printing.
Basically in this field there are two main types of solution for achieving this
movement: Linear motion slider based on a single profiled rail and linear slider based on
two smooth bars and bearings.
3.3.1 Based on two smooth bars and bearings:
It is the cheapest design and also follows the philosophy of reprap cost effective
printers, because it is easy to build and not so many parts are used. As a design
requirement two smooth bars are needed because in other case, the motor could turn
around the bar and be unstable.
3.3.2 Based on single profiled rail:
This product is usually used in professional designs. It is easier to buy well

designed servos or only the profiled rails, but on the other hand could result more
expensive than other systems. Furthermore, a wide variety of power could be used from
different brands.
3.3.3 Delta robot:
The main difference of this system is that it is not purely based on a typical X-Y
coordinate system; actually the key feature is that it uses parallelograms in the arms, [29].
Delta robot is an interesting technology and also still in development, but its main goal is
the efficiency of its movements, [30]. On the other hand it also has several drawbacks as
for example it is harder to program and should be properly calibrated before starting to
work. [31]
Model Advantages Drawbacks Weight Cost Image

Smooth Cheap More space Lighter Cheaper
bars and Relatively easy requirement.
bearings to assemble
Becomes from
easy parts
Fig. 102 Bars and bearings
Profiled More accuracy Hard to make by Heavier More

rail Less friction your own. expensive
Better structural More expensive
properties
Fig. 103 Profiled rails

Delta Fast. More complex Average More

robot Different design and expensive
kinematics programming
allows different Not good for big
arms disposition. movements
Really efficient
movement
Fig. 104 Delta arms
Table. 24 Kinematics comparison
3.4 NOZZLE
As nozzle is possible to define the whole composition which has these two main
functions:
3.4.1 To heat and melt the fiber of plastic:
There are several

eral ways and designs for achieving
achie this
but in overall it could be explained as a thermal resistor (one
or more)) connected to a block of a highly conductive metal as
for example brass. Then,n, another piece (which could be purely Fig. 105 Nozzle overview
defined as nozzle), with a conical shape on the end,
end is placed
into this block. The brass block could raise different temperatures into a range as for
example 150 to 200 Celsius
Celsius degrees. Furthermore the typical electric consumption of this
nozzle could be around 20 W.
3.4.2 To guide and focus the printing:
As said, nozzle consists on several parts but of course a

brass piece with a conical shape. This is made to focus properly
the fiber which the extruder is delivering. The diameter of the
nozzle is always small (even thinner than the fiber itself)
typically in a range
ange between 0.5 and 2 millimeters,
millimeters depending
on which part and what kind of fiber is used.
Over from above, nozzle has many other requirements.
Fig. 106 Brass block

For example the temperature should be monitored and controlled, so for that a good
solution is to use thermistors7. Besides that, the whole nozzle system needs to be
properly placed somewhere where the motion happens. In other words it should be
connected to the header and well fixed to avoid vibrations, [32]. There are some
discussions about these topics on different communities.
Also another trending topic is the thermal

isolation. These nozzles are made typically by brass.
This has the aforementioned advantages but one
important drawback is that sometimes, because of
their good thermal conductivity, the heat goes up
through the nozzle and raises the fixation part (which is Fig. 107 Nozzle types
made by plastic) or even worse, starts melting or
warping the fiber before it raises the hot end. For that, some maker have utilized and
developed designs trying to avoid that this heat goes up. Typical are the use of fans and
fins to achieve a higher dissipation on the upper part.
However, in the field of nozzles there could be a lot of improvements, but not so
much related with the productivity which is the main goal of the printer of this project so
there will not be further investigation about that except how to combine and distribute
four nozzles. [25]
In the following table is possible to find a comparison of the ways of distributing

the nozzles. On the drafts, in pink color there is the heated bed, and in black there are the
different nozzles and their working area:
Name Advantages Drawbacks Draft (view from above)

X-Crossed -Tube profile acting as plastic
guide.
-More space efficiency.
-Equilibrated forces.
Fig. 108 X-crossed nozzles
7
A thermistor is a type of resistor whose resistance varies significantly with temperature, more so than in standard
resistors. The word is a portmanteauof thermal and resistor. Thermistors are widely used as inrush current limiters,
temperature sensors, self-resetting overcurrent protectors, and self-regulating heating elements.
+ Crossed -Tube profile acting as plastic Less printing

guide. space efficiency
Fig. 109 Cross crossed nozzles
Linear on -Possibility of modulation Flexion and

Y axis assembling. warp.
-Thin printer comparing with linear Unbalanced
on X forces.
Fig. 110 Linear Y nozzles
Linear on Best design for avoid structural Less space

X axis issues. It could also use 4 different efficiency.
motors for feeding the plastic. We need a wide
Balanced forces printer
Fig. 111 Linear X nozzles
Cartesio Better structural properties Complex and

expensive design
Fig. 112 Cartesio printer
Table. 25 Nozzles distribution

3.5 HEATED BED
Talking about printing always goes hand in hand with talking about substrates. In
3D printing there is no substrate, only the board or table where the extruded material
lays. This one is a really important part of 3D printers.
The main function of the heated bed is to prevent warping. Basically, when the
extruded plastic cools down it shrinks slightly. This is not a problem if under the new layer
there is an older one which is still cool down, but when this shrinking process does not
occur through a printed part, the result could be a warped part. It is easy to find this
warping by examining the corners being lifted off of the bed. By printing on the heated
bed it is possible to maintain the printed part warm during the whole printing process.
[33], [34]
However, it is easy to think about using only a simple board of some flat and
smooth material as a heated bed, but indeed much more considerations should be made:
3.5.1 Flatness of the bed
Table should be properly calibrated and the distance to the hot end of the nozzle
has to be constant during the whole printing process [35]. As the bed is never perfectly
flat, the tolerance for the flatness is roughly not more than half of the thinnest layer the
printer is supposed to produce.
3.5.2 Straightness of the bed
Also calibrations for this parameter are needed. In the case of some instability or
imbalance, a deformed piece could be the result. Also even the whole surface where the
printer is placed might not be flat.
3.5.3 Adherence of the bed
A non-properly prepared bed can result in a bad adherence of the plastic to the
base, and also the possibility of a “bubbling” effect exists. Typical problems could be the
existence of dust or finger print grease on the surface.
3.5.4 Rigidity and vibrations of the bed
The bed should be stable and made by a material which is stiff enough. In case of
movable bed, the quality of linear bearings and the stiffness of guide rails affect the
distance between the bed and the nozzle during operation. This affects the quality of
produced parts.
3.5.5 Size of the bed
There are basic limitations about the maximum size of the heated bed. This
limitations mainly come from the energy that is required to heat the bed and also
because the thermal losses. Even more, depending on the material of the bed, there
could be some dilatations, so it is better if the table is not so big [33], [36], or it could
warp under the thermal load. Another limitation is achieving tight flatness tolerances for
large surfaces.
3.5.6 Movement of the bed
Printing an object can be made by different ways [37]:
-Moving only the bed
-Moving only the header
-Combination of both methods:
Apparently the best system should be the one which only moves the header,
because the movement of the heated bed (which is heavier) is avoided, but indeed this
system has an important limitation. At the time that movement in one axis is transmitted,
the other motor should be free of motion in the opposite coordinate, sliding over some
rails, as seen on Fig. 113.
Fig. 113 Bed/header movement
As shown in the drawn, motors should be able to run over the red rails. If for
example Motor Y is transmitting movement to the header, the whole set of Motor X and
it transmission should move over the rail as the blue arrows indicate.
This results in a strongest structure, but heavier and harder to assemble.

Furthermore, there are more pieces required so finally it is a more expensive option.
After all, the technology typically used is a mixture of two movements. With one
motor the X coordinate of the header is moved and with another motor the Y-coordinate
of the table is moved (or vice versa). In this case both motors are independent so no need
of these rails structure.
A different discussion starts about the movement on the Z axis. For these motion
also two solutions can be adopted, movement of the header o movement of the heated
bed.
3.6 HOW TO TRANSMIT THE MOVEMENT
Formerly it has been explained the paths of the movement, or in other words, how
the different moving work but, how to transmit this movement? Designer should be able
to go from the movement of the shaft of the stepper motor to a lineal one.
For that, the most common used way is to connect a belt to the carriage. Of
course this is only one of the possible ways, which could be chains, cables or even directly
by a screw8.
Also here appears a new interesting design which is the use of winches. Basically it
will consist of a stepper motor connected to a cable which is also connected over a rail or
some kind of sledging system. It could be compared with a typical belt system but only
with cables and for vertical forces.9
3.7 KINEMATICS SYSTEMS COMPARISON
Once again the best criterion for decision is to check the number of pieces, weight
and cost of one typical heated bed, and see which change could worth.
Quantity Description Comments Weight (g) Total weight

1 Heated Bed 300x300x3 2.2g/cm3 594 594
4 M3x40 screw 2.1 8.4
4 M3 nut 0.29 1.16
8 M3 washer 0.12 28.32
4 M8x50 screw 24.9 99.6
16 M8 washer 1.83 29.28
12 M8 nut 3.2 38.4
1 Thermistor Epcos B57550G103J
1 Wires
Total one heated bed 300x300 799.16 g (x 4)
1 Structure for 2072 2072 g
connecting 4
independent
beds
Total weight of FOUR heated beds 2871 g
Table. 26 Heated bed weight
With the data from above, it is shown that moving the header means moving 594
grams in the best case (only one extruder), 1577 grams when there are for extruders, plus
the four nozzles weight; and by the other hand the motion of the four heated beds results
on moving at least 2871 grams.
8
This will be explained later on Chapter 11
9
More details on Part III: New Designs
Chapter 4. Comparison of different designs 115
Chapter 4. Comparison of different designs

4.1 COMPARISON TABLES
Here comes a table which compares the different options analyzed on this first
stage of the project, looking for basic advantages and drawbacks.
REQUIREMENT BEST SOLUTIONS ADVANTAGES DRAWBACKS

Extrusion for 4 4 remote Less moved weight Think how to ensure the
filaments extruders deliver and hysteresis
Over the nozzle Based on typical More expensive, heavier and
extruders design more pieces needed
Melting of four PTFE sleeve Reliable and cheap Assembly
filaments nozzle
Movement on X or Hardened steel Cheap Friction.
Y-coordinate guides with rods Possible to be made Instability.
from easy parts Accuracy
Assembly
Single profiled rail Less friction Price
Better structural
properties
Accuracy
Easier to assemble
Movement on Z- Winch system Based on wade Bad accuracy, risk of break,
coordinate extruder. hysteresis of the wire,
Cheap. calibration
Light
Screw drive (1 Cheaper. Need of mechanics for
motor) Only motion when symmetrical movement
desired
Accuracy
Easier to plug
Screw drive (2 Accuracy Need of calibration of motors
motors) Only motion when
desired
Balanced weight
Heated bed Four heated beds Easy to assemble Heavy
connected Good isolation Need of calibration
No thermal losses
ABS storage and Remote roll and Simple Jam
covering nylon cover
Wiring of motors Plastic covers Cheap Space requirements,
especially in big designs
Structural stability Screws and joints Cheap Fragile
Profiled rails Reliable Expensive
Lot of posibilites
Table. 27 Requirements and solutions
Chapter 4. Comparison of different designs 116
Factor
Others
Price Energy Assembly Availability Accuracy Total value
issues
Design (less is
Coefficient
better)
1 1 0,8 1 1 0,8
Given value multiplied by the coefficient
One remote
1 1 1 1 1,5 1 5,1
extruder
Two remote
2 2 1,5 1,3 1 0,8 6,14
extruders
Four remote
3 2,5 2,5 3 1,5 1,5 10,2
extruders
For over the
2,5 3 3 3 1,2 0,8 10,24
nozzle
Winch system 1 1 0,8 2 1,5 1 5,94
Screw drive 1 1 1 1 1 0 3,8
Steel guides with
1 1 2 1,5 1 0 5,1
rods
Single profiled rail 2 1,5 1 1,1 1 0 4,4
Rubber
2 1,5 3 2 1,5 0 7,4
handmade HB
Ready PCB
3 1 1 1,5 1 0 4,3
heated bed
Aluminium sheet 1 2 2,5 2 2 0 8
Modular (top
1 1 3 3 2 1 9,2
over top)
Delta robot
3 1 3 3 1 0 7,4
design
Table. 28 Designs comparison
4.2 MAIN CONCLUSSIONS OF COMPARISONS:
• One remote extruder is the lightest and cheaper way to deliver the
filament, but it should be well designed.
• Moving only the header could be good in energy terms but indeed is not
always used because of a quite difficult design.
• Two different motors on each side seems to be the best choice for the Z-
coordinate.
• The nozzle position should be well balanced.
• Already built heated beds are easier to use.
It is important to mention that in these first conclusions there are not all the
results of the project. In other words, these are only the first ideas which appeared and
were considered as basics of the design. Further solutions and even some decisions which
might look contradictory to these basis will be considered later.
Chapter 5. Focusing the design 117
PART III: NEW DESIGNS

Chapter 5. Focusing the design
After studying the current situation of 3D printers, the typical issues, possible
improvements and criteria for deciding how to get better results, here comes the real
design part, were new ideas should be studied and taken into practice.
By the comparison tables it is possible to derive a series of conditions for the

optimal design, but indeed the relationship between different ideas is more complicated
and sometimes the last decision is made by common sense. In the next pages two main
designs are suggested, each one with a main important advantage o difference between
the others.
5.1 PROPOSED DESIGN 1
Consist of two independent extruders, with two nozzles per each. By placing one
header in the top of the other, a modular system is created. Also a winch system for the Z
coordinate is used as a new improvement.
Why this design?
The two independent extruders system gives the advantage of printing two
different set of pieces (or the same four but in two colors). This gives more flexibility to
the system but of course, on the other hand it has the drawback of two more motor set
needed.
As the point that this design is minded to print two different sets, it could be a
great idea if the printer is made in a modular construction that allows even further the
chance of adding parts to get another set. Considering that one of the conditions of the
printer is to be portable through a medium sized door (800 mm width) without many
assembly operations, the design cannot be expanded in X or Y coordinate, but it could be
expanded in height.
The idea of modular assembly technologies can be found in so many fields and it
has been always a good idea to increase the productivity and cost efficiency. By the other
hand, this modular construction requires a well thought design and must be able to
assembled and disassembled fast.
About the winch system, it is possible to find several examples and also in progress
designs on different forums and in reprap.org. It could be really interesting to continue
searching on this and seizing the ability of winches to raise a big mass with a relatively
small power.
Moreover, for this design, based on modularity will be a great idea the use of
profiled rails. The utilization of these has been growing in industry mainly because it is a
comparatively cheap way and besides that, the rail makes two functions: a path for sliding
and a structural component able to hold weight and be assembled in many ways.
Furthermore, the different companies provide a lot of useful components and accessories
for these rails for an acceptable price.
Design 1 Flexibility
New idea Extra advantage
2 Independent extruders Different sets
Modular construction Flexibility, easy to handle, better storage
Pile format Space efficient
Connection system (to be designed) Easy assembling
Winch system Lighter and flexible in height
Profiled rail Better structural properties and easier to assemble
Table. 29 Design 1
To sum up, combining the idea of

multiple printers connected in serial and
with a modular design based on a vertical
pile of printers it is possible to get a tower
of printers, with a really space efficiency,
easy to carry and based on a typical
printer.
Finally, this design is not going to

be further developed on this project, but
some of the ideas, criteria and conclusions
are going to be used in order to improve
the other selected design.
Fig. 114 Modular assembly

5.2 PROPOSED DESIGN 2
Based on “printrbot” distribution of the pieces, starting with the idea of “simple is
better” but clarifying the fact that sometimes is important to expend something else in
quality and reliability, here is going to be presented the main points of the design that
later is going to be fully studied in this project.
The main technical advantage of this design will be the fact that only the header is
in movement, instead the header and the bed. With this, there will be an energy saving
on moving the bed (heavy compared with other parts, as shown in the previous chapters)
but on the other hand a well carriage system has to be designed. For that, standardized
profiled rails are going to be used.
Also one important requirement of this design is a good visual aspect, specifically
related with an open working area, which allow more flexibility and a better handling of
the printed parts. This fact in combination with the non moving bed gives to the design
the possibility of for example work over the parts while it is still printing [38].
Fig. 115 Printrbot
Besides that, a properly balanced design of the nozzles position is important.

Taking into consideration the available space, the most logical decision seems to be a
linear distribution of four nozzles in the X-coordinate, as shown in the next draft:
Fig. 116 Nozzles distribution sketch
The main concepts of this design could be summarized as:
Design 2 Reliable and wide working area

New idea Extra advantage
Based on printrbot Accessible working area. More efficiency and safety.
kinematics
Reliability Reliability
X linear nozzles Balance and space efficiency
One extruder Money saving
X-Y-Z linear profiled rails Reliability and structural properties
Only moving header Energy saving.
Not moving bed No deformations during printing process
Screw drive for Z coordinate Parallel with the Z profiled rail there will be a screw for driving the
motion
Table. 30 Design 2
5.3 FINAL DECISION
After proposing the two designs, it has been decided to focus only in one choice
which will be the “Second design”. This decision is made to get the best results and to be
able to go into a deep study and real conclusions. However, the main concept of the “First
design” which is the modularity is a really powerful idea which stays for future studies.
Chapter 6. Overview of the design process 121
PART IV: CAD DESIGN

Chapter 6. Overview of the design process
After the conceptual part, the project goes deeply into the study of the selected
design. During the next pages this design is going to be developed using SolidWorks10.
Like in most of the designing processes, few issues are going to turn up and the
possible solutions and decisions will make sometimes a redundant routine with several
iterations. In order to describe the system as clear as possible, the design is going to be
divided into different milestones based on the main parts of the 3D printer. Furthermore,
going into that, several points and conditions of the design are mentioned.
During the design process, solutions to the different processes will be proposed,
and finally there will be a summary, by description or by a chart which shows the last
decision. Sometimes this final decision might be presented along with several calculations
in the needed cases which help to justify it.
Apart from all the previous information here comes a small image of the result of
the first stage of the CAD design. This project can be read in different ways, for example
from the beginning to the end or just checking some chapter to understand the design.
For those who are reading this step by step this first picture will clarify a little bit how the
printer should be and work. Of course this image must not be considered as a final result
for anyone.
10
SolidWorks is a 3D mechanical CAD (computer-aided design) program that runs on Microsoft
Windows and is being developed by Dassault Systèmes SolidWorks Corp., a subsidiary of Dassault Systèmes,
S. A. (Vélizy, France). SolidWorks is currently used by over 2 million engineers and designers at more than
165,000 companies worldwide. FY2011 revenue for SolidWorks was 483 million dollars. [Wikipedia]
Chapter 6. Overview of the design process 122
Fig. 117 First complete CAD model
6.1 SIZE LIMITATIONS
One of the limitations where is possible to optimize is on the size of the 3D printer.
During the whole design, size has to be a keystone into the decision making. Furthermore
this maximum size will be the reference for the rest of the pieces. Under the limitation
inflicted by the maximum dimensions of the heated bed because of thermal dilatations
and other issues (see 3.5.5) no printed piece can be bigger than this limit.
Besides that, the whole assembly of the printer should be handled and carried
through a typical door of 800x2000 mm.
About the resulting pieces, this printer will be able to create items with a size
about 290x290x500 mm. On the hobby 3D printer market, this printer can be considered
as one of the biggest.
Chapter 7. Extruder and filament rolls 123
Chapter 7. Extruder and filament rolls

The extruder that this printer is going to use is a design between Wade´s Extruder
and Ed´s Bowden extruder. In other words it will be a typical wade´s extruder, but placed
away of the header and delivering the filament by the use of a Bowden´s cable.
7.1 STEPPER MOTOR
The first part to mention in an extruder is the stepper motor. Such motor provides
the power which will move the filaments. The typical stepper motor is a Nema 17 (see bill
of materials, item 6). This motor has the following properties:
Fig. 118 Nema 17
Property Unit FL42STH47-1684A FL42STH47-1206A (used in 4-wire

(4-wire) mode)
Rated Voltage V 2.8
Current/Phase A 1.68
Resistance/Phase Ω 1.65
Inductance/Phase mH 2.8
Holding Torque Kg-cm 4.4
Number of Leads g-cm2 4
Rotor Inertia g-cm2 68
Weight kg 0.35
Detent Torque g-cm 200
Length mm 48
Table. 31 Nema 17 specifications
Item Specifications
Step Angle 1.8 degree
Step Angle Accuracy ±5% (full step, no load)
Resistance Accuracy ±10%
Inductance Accuracy ±20%
Temperature Rise 80.C Max
Ambient Temperature -20.C~+50.C
Insulation Resistance 100MΩMin. ,500VDC
Dielectric Strength 500VAC for one minute
Shaft Radial Play 0.02Max. (450 g-load)
Shaft Axial Play 0.08Max. (450 g-load)
Max. radial force 28N (20mm from flange)
Max. axial force 10N
Max speed 300 rpm
Table. 32 Nema 17 specifications 2
7.2 GEARED WHEELS
These wheels are also based on the typical ones from wade´s extruder. The
operating system of the extruder and the stepper motor has been explained before so
here just come a few details of it. As mentioned the design will need two geared wheels
able to transmit the movement from the shaft of the motor to the hobbed rod which is
spinning against bearings and in contact with the filaments. These wheels can be easily
printed in ABS. In this design these will be with the following aspect:
Fig. 119 Small gear Fig. 120 Large gear
7.3 TORQUE CALCULATIONS
Besides all the properties, here turns up an important question: Will the torque of
the motor or the transmission ratio be enough to move the filaments properly?
It is possible to check that the transmission ratio between each other gear is:
Zଵ 11
= = 0.28205
Zଶ 39
Where Z1 and Z2 are the number of teeth of each wheel.
In this case it could be necessary to use a more powerful motor, but after some
design iterations and considering that a reduction by gears is going to be used, the
decision is to maintain the Nema 17. This decision is based on the volume of filament
which has to be moved, which is succinctly calculated as:
Considering a radius of 0.875 mm, the design is using a Nema 17 which has an
accuracy of 1.8 degrees each step. By the transmission ratio it means:
degrees
1.8 ∗ 0.28205 = 0.50769
step
Assuming an average radius of 4 mm on the part of the hobbed rod where the
filament contacts and adding the radius of the filament it is possible to assume a linear
movement of:
݉݉
2ߨ‫ = ݎ‬2ߨ ∗ 4.875 = 30.631
‫݊ݎݑݐ‬
30.631 ݉݉
∗ 0.50769 = 0.0432
360 ‫݌݁ݐݏ‬
Now it is known the length that the filament should move each step.
Knowing that there are four filaments with a circular section of 1.75 mm of
diameter it is possible to calculate now the volume of plastic moved by the motor each
step
ܸ݀‫݈݋‬ଵ = ‫ ݎߨ = ݈݀ܣ‬ଶ ݈݀
ܸ݀‫் ݈݋‬௢௧௔௟ = 4ߨ‫ ݎ‬ଶ ݈݀
So now with all the data, substituting the differential of length for the linear
movement of each step, the volume that the motor moves each step is
ܸ‫் ݈݋‬௢௧௔௟ = 4ߨ ∗ 0.875ଶ ∗ 0.0432 = 0.4156 ݉݉ଷ /‫݌݁ݐݏ‬
Taking into account the density of ABS which is
ߩ = 1020 ݇݃/݉ଷ
1020
‫= ݏݏܽܯ‬ ∗ 0.4156 = 4.239 ∗ 10ି଻ ݇݃/‫ = ݌݁ݐݏ‬4.239 ∗ 10ିସ ݃/‫݌݁ݐݏ‬
1000000000
7.4 EXTRUSION SPEED LIMIT
One important restriction for printing speed, apart from the aforementioned like
moving masses or accuracy, is the amount of filament that the extruder can move
through the nozzle hole. Assuming a nozzle of 0.5 mm diameter and with all the previous
data:
ܸ‫் ݈݋‬௢௧௔௟ = 0.4156 ݉݉ଷ /‫݌݁ݐݏ‬
is the volume extruded considering the four filaments. Each one has to go through
a nozzle of 0.5 mm of diameter:
0.4156
= 0.529 ݉݉/‫݌݁ݐݏ‬
4 ∗ ߨ ∗ 0.25ଶ
Assuming a maximum speed of 300 rpm for the motor:
300 ∗ 360 ݀݁݃‫ ݏ݁݁ݎ‬1000 ‫ݏ݌݁ݐݏ‬

= 1800 =
60 ‫ݏ‬ ‫ݏ‬
And by the transmission ratio:
‫ݏ݌݁ݐݏ‬
1000 ∗ 0.28205 = 282.05
‫ݏ‬
This means that the maximum extrusion speed per nozzle is:
݉݉
0.529 ∗ 282.05 = 149.25
‫ݏ‬
7.5 WHERE TO PLACE THE EXTRUDER
As explained, the extruder is going to deliver the filament by a Bowden´s cable

but anyways it is important to place the whole extruder mechanism properly in order to
be space effective and avoid issues with the cable.
This cable has to be in constant movement so it could get entangles somewhere.

For that it is important to place some fix points which conduct the filament somehow. In
addition is important to consider and take care about the minimum radius that the fiber
can twist on. This aspect of the design will stay out of this project but could be one of the
future things to work on. Also, related with that it is important to place it where it is easy
to connect with the motherboard of the controlling system.
Also the extruder should be placed and designed considering the orientation and
position of the filament rolls, even more in this case where there are four different
filaments.
7.6 EXTRUDER DESIGN SUMMARY
Here comes a small chart to summarize the main points and solutions of the
design of the extruder
Requirement Solution Image

Structural Good
Stability design
Stepper motor Bolts
attachment
Four filaments Profiled
delivery rod
Enough torque Geared
and accuracy wheels
Fig. 121 Designed extruder
Table. 33 Extruder design summary

Chapter 8. Heated bed 128
Chapter 8. Heated Bed

8.1 HEATED BED MAIN PARTS
From the articles and conditions of the desired design of the printer, it needs a
heated bed. Taking into account the aforementioned problems of heated bed with
dilatations and maximum size, four interconnected heated bed were the final decision. It
means that some structure to joint and hold the four independent heated beds is needed.
In other words, the two main parts are:
a) Four identical heated beds.
b) Heated beds connector
As said in the point 4.2, the best choice is to buy a standardized heated bed
instead of creating one. In this case the selected is: see bill of materials, item num. 23.
8.2 HEATED BED CONNECTOR
For the heated beds connector starts a small design. The main requirements are
the ability of holding the heated bed and to connect between each other and the base. In
the decided design the bed are static so there is no need for any kinematic structure, but
anyways it would be a good idea to keep in mind a possible connection to a profiled rail.
Also, in this part it is really important the conduction of the different materials.
Since the bed is heated, there will be dilatations and thermal losses. These losses should
be minimized with a good design.
However a good criterion for this part is, like always, try to make it easy to build,
easy to assembly and also as lighter as possible.
8.3 DESIGN PROCESS
a) After knowing the requirements, a sketch is made. It consists on a simple plain

square of ABS and enough big to hold the heated bed.
b) Then the design is lightered to get a slim structure.
c) At this point, the design tries to reduce the mass of the piece, but of course
considering the minimal requirements of stiffness. However, this part is going
to be placed over the main base of the printer, so buckling is not a problem.
d) As mentioned, the idea is to connect four heated beds, so for that the
connector has to be a big structure. Since it is printed, no structure can be
bigger than the size of the typical heated bed. That means one thing:
connector will be made of two or more parts.
e) Knowing that, the design is divided into parts and prepared for connection.
Finally, the joint between different holders is made by using a simple M6 bolt.
f) This joint it is not strictly necessary for the operating condition of the printer
and it could be skipped over, because during the assembly you could just
attach each bed supporter directly to the base; but on the other hand it has an
advantage: By this connection, the distance and relative position between
each bed is always the same, so there is no need for extra calibration. It also is
based on the idea of a possible modular design, where you could attach even
more heated beds if it is necessary.
g) A hole on each corner will allow the assembly with the beds and the base. For
this, a standardized M6 bolt is enough.
h) Assembly of each plate and to the base.

As aforementioned, the bed should be heated, which means an energy
cost. It is important to minimize this cost by a good design free of unnecessary
thermal losses. For that, the attachment of
the heated bed to the frame will be made by
a long bolt and leaving some free space on
it, in order that the bolt absorbs the possible
deformations and thermal energy, avoiding
that the heated bed bends.
The assembly will consist of a rod
Fig. 122 Bed´s screws
firstly going through the bed, and then a nut
to fix the bed. After that, there is some free space, then another nut and finally
the bed holder with the last nut. This whole structure can be easily placed over
the base.
Other advantage of this assembly is that it allows a small calibration. By
acting on the nuts it is possible to raise the height of the table.
8.4 DESIGN SUMMARY

Stable and light structure Plain and simple
Fig. 123 Bed
Big structure Joint between

each holder.
Modular.
Fig. 124 Bed holder´s connection
Connection to the beds Four M6 bolts

on each corner
Fig. 125 Bed´s holder
Height calibration Well designed

Thermal efficiency bolt assembly
Fig. 126 Heigh calibration

Fig. 127 Final Heated Bed
Table. 34 Heated bed´s design summary

Chapter 9. Header and nozzles holder 132
Chapter 9. Header and nozzles holder

9.1 GENERAL CONSIDERATIONS
This is one of the most important parts of this project because it really sets the
difference with other 3D printers. At the moment that the decision of using one moving
header, able to hold four nozzles, was taken, the basic idea of this part was set.
The second main point of this part has been also mentioned before: vibrations.
With these two main points in mind here comes several design decisions:
As said, the linear distribution of the nozzles on the X coordinate could be less
space efficiency but provides a really open workspace. On this printer the comfort of this
open workspace is more valued than only the space efficiency because it is one of the
main competitive advantages. This makes the requirement of a big nozzles holder.
As shown in the point 6.1, a size of
300 ∗ 4 = 1200 mm
for the printing space is needed. This could be reached by a nozzles holder made of a
bought material and assembled, but continuing with the idea of make the printer as much
self-replicant as possible; and like it happened with the heated bed connector, the
decision is to make it by assembling two or more ABS pieces.
Another possible solution was the use of

one header, but consisting of two or more parts
and also using more than one carriage to be
connected to the profiled rail. This reduces the
possible vibrations of the header itself, because
the weight is divided into a bigger number of
Fig. 128 Header Sketch
points and hanging parts are decreased; but on
the other hand this is translated into a longer profiled rail, because the carriages have to
sledge over more space. This finally means vibrations in the rail so the result is not better.
After all, and once the assembly started, the design was rethought again to reduce
even more the weight, so unnecessary parts were removed. Finally after the mechanical
testing (see point 9.2.4) the decision was to change the material into aluminum to reduce
the deformation.
9.2 MECHANICAL TESTING
During the former design process it has been possible to see that this is an
important part of the printer. Even more, is the one which is in care about holding the
nozzle. This nozzle has to have really accurate movements so no big vibrations are
allowed into the header. Furthermore nozzles are made of brass and other relatively
heavy materials which could be an extra reason for buckling. Also the design is trying to
do the header as lighter as possible, so playing with these limits are dangerous. For that
here come some mechanical checking made by SolidWorks.
This is the first mechanical calculation, so the whole process will be fully detailed.
For next calculations these explanations will be omitted. Anyways, it is possible to find all
the information, properly detailed in the annex of Mechanical calculations.
9.2.1 Selecting the piece of study
First of all, it is important to define

properly which piece will be the object of
the study. In this case, it will be one of the
halves of the header. Also before it was
indicated which kind of material is it.
Fig. 129 Selecting the piece
9.2.2 Restrictions of movement
Now the software asks for the

fixed points. Marked will be the drilled
holes and also the side wall, because the
piece can be considered as symmetric.
Also the holes which connect both
symmetric parts are important and will be
considered as fixed because the stiffness
of the stainless steel is much higher than
the ABS.
Fig. 130 Fixtures
9.2.3 External Forces
Based on the calculated weight of the nozzles the main force to input should be
the gravity. Also, it is important to remember that the printer will be on movement, so
there will be some accelerations. These accelerations will also act as forces, in this case
especially when the printer moves into Z coordinate. Other accelerations can be ignored
now.
Assuming 80 grams of weight for each nozzle and applying a factor of 1.25 for the
acceleration, the input for each one will be
100
∗ 9.8 = 0.98 ܰ
1000
So the input will be 1N per nozzle.
However, after some studies the final

decision is not to consider the acceleration
factor anymore on further calculations,
because it is small enough compared with the
Fig. 131 Forces
weight of the different pieces.
Furthermore it is important to mention than the critical deflection for the nozzle
into the vertical coordinate will be 0.05 mm. All values over that will mean a non
functional printer.
For other pieces this deformation could be considered also as the maximum unless
certain considerations change it on each case.
9.2.4 Results of the simulation
Here the program output two important results: Von Mises´s tension and the
Deformation.
Fig. 132 Von-Mises results
Fig. 133 Deformation

It is possible to check that the tensions are not critical, but the deflection is about
0.72 mm. This deflection exceeds the maximum established, so the design must be
optimized.
For that, here comes an iteration of these calculations. The design of the header
will be enlighted a little bit more, especially around the central part and then it will be
checked again. In addition, it is necessary to include some other modifications to reduce
the deformation and increase the stiffness of the arm.
After trying some designs, specially modifying the cross section and increasing the
angle of the support bar, the results of the calculations were almost the same: only a little
reduction of the deflection, but not enough to be lower than 0.05 mm. Also the ideas of
adding an extra piece or a steel rod inside were discarded.
The final solution was to change the material of this header. The decision after
several considerations was to use an aluminum alloy. Of course this means an important
cost increase and also the need of manufacture this piece somehow, with different
techniques. With this material, the results were:
Fig. 134 Aluminum header
It is possible to check now that the deformation is only 0.02 mm in the worst case.
With these results it is possible to conclude that the design is stiff enough and no critical
vibrations will happened.
9.3 HEADER DESIGN SUMMARY
Following the same way of thinking that with other pieces, here comes a small
summary of the design process

Width structure Two or more pieces
joined
Fig. 135 Header joint
Light but stable Removed material and

nerves
Fig. 136 Header´s nervs
Connection to the nozzle Four M6 bolts on each

nozzle
Filament delivery to the Small holes for the
nozzle fiber
Fig. 137 Nozzle connection
Connection with the Printed standardized

kinematic system 80/20 piece attached
to the wheels system
Fig. 138 Carriage connection

Connection with the Male part and bolt

moving belt through the belt
Fig. 139 Belt connection
No vibrations Mechanical testing

New material
Aluminum
Fig. 140 Header´s mechanical testing
Fig. 141 Final header
Fig. 142 Header Design summary

Chapter 10. Nozzles 139
Chapter 10. Nozzles

As seen, there are a lot of possible improvements on the field of nozzles, but these
are not the main goal of this project. Furthermore this design does not have special
requirements for nozzles apart from good stability and to be much lighter as possible.
Besides that no extra fans, insulator or special holders are going to be used.
The nozzle for this design can be bought to some supplier via internet as for
example the one which is shown on point 19 of the bill of materials, and for the CAD
design a regular model of brass is going to be used.
Only one curiosity to mention is that in this design the nozzles are interchangeable
between each other (for example in the case of using different colors, if the nozzle has
some blurs) and also are easy to replace. For that, those are going to be connected by
four bolts to each head of the nozzle holder.
The design is also made to leave a small gap between the nozzle and the nozzle
holder to avoid thermal distortion.
Furthermore, by easy calculations using the physical properties calculator of

SolidWorks it is possible to assume a weight of the whole nozzle set about 80 grams. This
value is used for the mechanical calculations of different pieces as header and the whole
arm.
10.2 DESIGN SUMMARY

Basic nozzle design Brass made nozzle
Fig. 143 Brass made nozzle

Chapter 10. Nozzles 140
Connection to the holder Four bolts each nozzle

No thermal deformations Small gap
Easy to replace Standardized and easy to
access bolts
Fig. 144 Nozzle connection
Fig. 145 Final nozzle
Table. 35 Nozzle´s design summary

Chapter 11. Profiled rails 141
Chapter 11. Profiled rails

There is a huge market of profiled rails, with different kinds of sizes and materials.
These systems are becoming more popular because the flexibility and reliability that they
provide. Also nowadays some people like to build their own designs, which is really easy
with all the equipment that these enterprises supply. The following picture gives some of
the typical examples of the main brands.
Fig. 146 Profiled rails
As shown, all these brands provides a standardized sizes and also all the related
equipment as connectors, carriages, etc.
For this entire project the selected profile is from the brand 80/20 Inc. and in
particular the type “Metric 25 series”. The decision of this brand is mainly made because
in their website they provide a lot of services for costumer, as CAD models, video
explanation and also a program for calculating buckling and vibrations. Also the prices
seems to be quite good comparing with other brands.
Fig. 148 Open rails Fig. 147 Metric 25 profiled rail

Fig. 149 80/20 Series 25
In the following pages the design of the movement into the different coordinates
is explained. Each coordinate has different properties as for example requirements in
accuracy or torque. In this project the X coordinate is the lightest (the motor does not
have to carry with other profiled rails, only with the header) but on the other hand it has
to move precisely.
The whole design could be included in a workspace where several mechanical

properties can be assumed. For example, there will not be problems with traction, yield
strength, hysteresis, thermal dilatations, or even torsion stresses, but these problems
might appear locally, especially in the connections or joints between different rails. For
that, the global design has been made trying to balance all the strengths as much as
possible and avoid unnecessary movements.
11.2 MOVEMENT ON X COORDINATE
11.2.1 General overview
Once the general ideas of the kinematics and disposition of the pieces have been
decided, it is time to go deeply to the study of certain details. However, once the
movement is a requirement, the different pieces become harder to design.
It is clear that the movement is based on profiled rails and carriages, but how to
place these carriages? How to connect one rail with another? How to hold the whole
structure?
11.2.2 Length of the rail
First of all it is possible to assume a length of 400 mm. The heated bed is 350 mm
width so this should be the minimum length, but also some extra space is needed in order
to place the stepper motor, the joints, and extra pieces. However, the idea is to try to
minimize this length which translates into a mass reduction, but finally and with some
iterations on the CAD design, the selected length is
500 mm.
Also, each rail includes a rubber bump

acting as a top end to avoid collisions and other
issues. These stops also can be substituted for
electric top-ends, connected to the mother board.
Those are able to detect when something hits they
and can act into the stepper motor controller in
consequence (stopping the alimentation). Fig. 150 Rubber bump
11.2.3 Carriage system and connection
On the bottom side of the rail, the carriage with the nozzles holder is going to be
attached. This carriage can move over almost all the rail until certain limits on the sides
(made by t-nuts drilled on the rail and some endings).
For this coordinate the carriage is made by a pair of pieces, with two wheels each
one and connected by a piece which design is standardized by 80/20 (but in this case is
going to be printed, so it is lighter and cheaper). It could be possible to use more wheels
or even two different carriages connected somehow (as for example the alternative
explained on chapter 9.1), but those ideas do not provide any significative advantage
which could worth the extra requirement of pieces.
The X-coordinate rail has to be fixed somehow to

a carriage which slides over the Y-coordinate profile.
There were some interesting ideas as for example pieces
printed with ABS which could provide any design, but on
the other hand these pieces where no stiff enough. The
final decision was to use a standardized piece from the
brand 80/20 specially designed for these profiles. This
piece is cheap and made of stainless steel, which
provides the desired mechanical properties.
Fig. 151 Profiled rail connector
11.2.4 Placing the fixation
The formerly showed fixation should be placed properly. Probably the first idea is
just to put it in the middle of the X-rail, but the best option is to place it a little bit off
center in order to play with the mass center of the piece. It is possible to use SolidWorks
for these calculations, but indeed the easiest way to do it is when the printer is
assembled. This piece is attached to the rail with bolts and t-nuts that can slide over it so
a proper balance can be reached.
11.2.5 Mechanical test of the carriage connector
After the last paragraph now comes the mechanical test for the carriage
connector. This piece has been shown in Fig. 151 Profiled rail connector, and mainly the
test focus in showing that it will not bend so much. The input weight will be the
calculated for the set header plus nozzles and increased for security margin.
ଶ଺଴଴
ଵ଴଴଴
∗ 9.8 = 25.48 ܰ
The displacements are:
These are lower than 0.05

mm so the design is good. Also
further details can be found into
the document of the annex.
Fig. 152 Connector displacements

11.2.6 Transmission of the movement
The design is based on a belt system for the movement, so there will not be any
extra change on that, but now it is important to think where to place this belt and the
related stepper motor. There are different ways and
positions.
With the motor on the bottom side of the profile:

This disposition has some extra advantages about the
stability and vibrations of the motor, which are reduced,
but on the other hand in this position the motor is using
some length of the rail where the carriage cannot slide Fig. 153 Standard Belt
anymore. This translates into a longer rail which finally
means more weight and deflection.
The shaft of the motor should be orientated over Y coordinate or over X

coordinate. The last choice, which could be to orientate it on Z coordinate, might be
interesting but indeed it would be really difficult to move the belt without any collision
with the nozzles holder or the Y profiled rail.
The final decision is to place the stepper motor on the side of the rail. This means
an important weight on the end of the rail which is bad for deflection, but on the other
hand with this disposition the rail is shorter. Furthermore the transmission of the
movement is made by a simple belt connected with the nozzles holder.
11.2.7 Belt system
For the explained movement, there will be a bearing with a screw to tension the
belt, mainly moving the bearing over the coordinate and also tightening up the belt to the
header. Here again could be different options and orientations of the belt. Finally, a
printed part made of ABS with the mentioned bearing and placed on the opposite side of
the profiled rail is the chosen option. This piece is easy to assemble and with some
adjustment can be properly placed and hold the necessary tension of the belt.
However, after some design overview is possible to check that piece, which has to
hold the stepper motor could suffer critical tensions or deformations. For that, here again
comes a mechanical test.
11.2.8 Mechanical test of the X motor-belt holder
This is the analysis of the motor holder. Stepper motor is hanged by this piece, so
the first force will be the gravity affecting to the motor. Also, this piece has to be in a little
tension with the belt, so this will be the second force, in the X coordinate. The detailed
calculation is in the annex.
The results are really good. About the security factor there is no problem (this is
the first time than it could be a real problem, because all the forces are affecting and
Fig. 154 Von Mises Z motor holder
concentrated in only one point), but indeed the result is a factor of 17 in the worst case.
On the other hand the deformation is higher than in other pieces, about 0.2 mm.
This deformation do not affect directly to the position of the nozzle, so it could be higher.
This value of 0.2 mm is admissible.
Fig. 155 Deformation X motor holder

11.2.9 DESIGN SUMMARY OF X COORDINATE

Stable Rail 500 mm 80/20
profiled rail
Fig. 156 Profiled Rail
Connection with Standardized

header carriage by 80/20
Movement across the
coordinate
Fig. 157 Carriage
Stepper motor and

bearing, with a belt
Fig. 158 Belt and bearing

Stepper motor
Fig. 159 Stepper and belt
Connection to Y Small holes for the

coordinate fiber.
Properly balanced
place.
Fig. 160 Arm connector
Movement limitations Rubber top ends
Fig. 161 Rubber bump

Fig. 162 Final X-Rail
Table. 36 Design summary of X coordinate

11.3 MOVEMENT ON Y COORDINATE
11.3.1 General Overview
About this axis here come several explanations and details about the design, but
keeping in mind that all the basics are the same that in the X-coordinate.
11.3.2 Length of the Y profile
Following the same argument that with the X coordinate, it is possible to assume a
length of 600 mm which provides enough space for the movement of the carriage and
also it is the shortest trying to reduce unnecessary masses.
In this case the movement it is also reflected into a carriage sliding over the rail.
This carriage is build by two standardized pair of wheels and also connected by a printed
part.
As happened with X coordinate, here again some top ends will be placed.
11.3.3 Connecting different arms
Like in X coordinate, this profiled rail has to be connected somehow to another rail
in order to move over Z-coordinate. In this case the design became a little bit harder
comparing with the previous one, because the different orientations of the rails made it
difficult to fit. As mentioned before, the design tries to give the maximum movement with
the smallest and shortest rail, so these connections should be well designed in order to
use the minimum space over the rail.
First of all, the design were made for connect only the Y-coordinate rail with the Z-
coordinate rail by a drilled piece which is joined to a carriage that slides over the Z-rail.
But after that, it was possible to see that the design was not stable enough. This problem
is going to be show in later points of this project by proper calculations, but however, the
final decision was to attach an extra rail for Z-coordinate on the other side.
11.3.4 Placing the arm
Also, once again it is important to fix the piece which connects both profiles in a
proper place in order to get a good balance and also seize to the maximum the usability
of the rail.
Stepper motor: In this case the motor can be placed directly over the sliding rail of
the profile because two main reasons:
The connection with the Z-coordinate uses some space of the rail in one side, this
means that the carriage cannot roll over it, so it can be used without consequences over
the other face. A similar thing happens on the other extreme of the rail. The nozzles
holder is a little bit eccentric and projecting so the carriage cannot roll until the edge of
the rail or otherwise it could hit the Z-coordinate rail.
About the orientation of the shaft, in this case it can be placed vertically using the
same belt system that with X axis. The attachment of the belt to the carriage is made by
to printed parts connected also to the piece which holds the X-axis.
11.3.5 Stability of the arm
Apart from the Z axis system, which will be explained in the next chapter, it is
possible to remind how is the general design of the printer going. For that, here is a
second overview of the CAD model fully assembled.
Fig. 163 CAD model overview 2
Just knowing now some of the weights as for example the header or nozzle, and
realizing that all these masses are hanging from the Y axis arm, appears the idea of
instability. Probably the whole header system is too heavy and the arm will bend.
Again, by using Solidworks, and by the bill of materials it is possible to assume a

good approximation of the mass that the arm has to support. With that calculated mass,
there will be a mechanical simulation to check if the displacement of the cantilever is high
or low.
11.3.6 Mechanical Testing
Basically, the idea is to simulate the worst situation. For that, the fixations will be
totally placed in one side of the rail and all the force, equivalent to the action of gravity
will be on the other side. It would be a good approximation because in the real case the
forces are near one to each other but on the other hand other efforts appear.
Fig. 164 Y mechanical test
Like other mechanical tests, this is explained deeply into the annex, but however,
the result is a deformation higher than 0.05 mm. To solve that, and avoid any other
vibrations, the decision is to add an extra column into the opposite side. This eliminates
the cantilever.
11.3.7 DESIGN SUMMARY OF Y COORDINATE

Stable Rail 500 mm 80/20
profiled rail
Fig. 165 Profiled rail
Movement across Standardized

the coordinate carriage by
80/20
Top End
Stepper motor
and bearing,
with a belt
Fig. 166 Y movement

Structural stability Two almost

symmetrical
columns
Fig. 167 Dual columns
Fig. 168 Final Y
Table. 37 Design summary of Y coordinate

11.4 MOVEMENT ON Z COORDINATE
11.4.1 General considerations
The motion over this coordinate has been an interesting point during the whole
design. As mentioned in the Part 1 where the main stages and aspects of the design were
defined, especially the use of screw driving, instead of other kind of system with belts or
winches. But when the real implementation of the ideas comes, it appears a lot of
unexpected issues: vibrations, buckling, difficulties placing the stepper motor, etc.
About the remaining kinematics of this Z-coordinate, the movement is quite

similar to the X and Y systems where the carriage is sledging over the profiled rail and also
attached to other arm and the motion system.
11.4.2 Placing the stepper motors
About the motors, there are a

few differences and properties to
consider. The design starts with simple
ideas: Placing a stepper motor, vertically
attached to the base, with the shaft
pointing up and connected to a screw
which turns, like the usual design. This
screw has to be connected to a nut fixed
to the part which should be raised, so
the screw were placed parallel to the Z
profile and with a simple part attached
to the Y-Carriage. It seems to be a fully Fig. 169 Screw driving
working design, but then it is possible to
see that with this system the nut attached to the horizontal will only stay on the piece
only while the arm goes down, because in other cases the nut can jump out of the hole.
For this problem the solution were to switch the orientation of the nut and his
holder. In this position it will not fall and also will work while the arm goes up.
The second problem is about the screw itself. It is true

that the whole design of the printer is light but anyways it is too
much for only one thin screw. It is slender and with this
configuration there are risk of buckling and also eventually lock
Fig. 170 Nut´s place the mechanism.

A good solution for this is just similar with the former case. If the stepper motor is
on the top of the Z profiled rail the whole arm is suspended, affecting only with tension
and no compression to the screw. This means no buckling problem.
The solution adopted in the former paragraph has a drawback. Now it is necessary
to place the stepper motor on the top, which in this 3D printer could be a problem
because there are as less as possible upper frames or places where to join it. In other
words, now a new piece is required for that.
11.4.3 Stepper Motor Holder
This piece should be able to hold the

stepper motor properly but also be
prepared for all the strength that it has to
support, which is almost the weight of two
arms. A first design for this piece was made,
resulting on Fig. 171. This piece will have to
support a big weight to raise up the whole
arm without bending so the next milestone Fig. 171 Z Motor holder
is the mechanical testing.
11.4.4 Mechanical Testing of Z motor holder
Going into a deep analysis and by SolidWorks´s simulation add-in, it is possible to

see that the deformation and Von-Mises tensions are more than expected and there are
some bendings. As shown in the next picture deformation is too high. It is necessary to
Fig. 172 Z motor holder deformation 1

optimize the design.
After several iterations, the design finally achieves an assumable low deflection, as
shown in the next figure.
Fig. 173 Z Motor holder 2
It is possible to see that the deformation is higher than 0.05 mm but on the other
hand the screw will hold part of this deflection, so it is assumable. For further details see
the annex.
11.4.5 Fixation of the base
About the fixation of the base, at the beginning the decision was to use the same
piece which was used for connecting the arms to the carriages (See point 11.2.3 Carriage
system and connection)
After the first implementation of this piece into the CAD design it was quite easy
to check that it was not stiff enough.
To solve this, a lot of possibilities were considered but finally, the decision was to
use a standardized piece of 80/20 Inc. which fits properly with the profiled rail and is
totally designed for a good fixation. Also this piece is cheap, and with a simple design.
11.4.6 DESIGN SUMMARY OF Z COORDINATE
After adding an extra column, the disposition of the stepper motor should be
reconsidered and also the chance of installing a gear for reduction or a second stepper
motor over the other column in other to get enough torque. Finally this last option is the
chosen one because it provides a more balanced strength distribution and also it gives a
better security factor.

Movement across the Standardized
coordinate carriage by 80/20
Connection to Y Bolts to the carriage
coordinate
Fig. 174 Z movement system
Driving for the Nema 17 stepper

movement motor and holder
Fig. 176 Z Arm
Fig. 175 Z motor holder

Screw driver
properly placed
Fig. 177 Screw receptor
Connection to the base Standardized piece

by 80/20
Fig. 178 Standardized base attachment

Fig. 179 Final Z
Table. 38 Design summary of Z coordinate

Chapter 12. Structural calculations by Toolbox 161
Chapter 12. Structural calculations by Toolbox

12.1 THE USE OF TOOLBOX
After the complete definition of the printer by the CAD model, here follows a
succinct analysis of the possible vibrations, deflection and buckling. There have been a
short analysis for each interesting or critical part, but however as iteration, here comes as
an extra study. Basically, this chapter is only focused into the profiled rails, especially
about the Y one.
For studying this, different software called “TechToolkit” is going to be used. This
software is provided by the company 80/20 Inc. itself. It can be found in their webpage
and it is a powerful tool for ensure that the whole structure will not break or collapse
[39].
Mainly this chapter of the project can be considered as an example, for future
works and to know how to check the results. Also this last mechanical testing is apart
from the previous made because it will be considered like a security check, instead of
being part of the design process itself. Of course, both tests are totally related between
each other and only with good profiled rails the printer cannot work if other parts break.
Fig. 180 80/20 Toolbox

Chapter 12. Structural calculations by Toolbox 162
As shown in the Fig. 180 80/20 Toolbox, with this program, by the input of several
data as for example length or loaded mass it gives calculations for deflection and other
properties.
The best way for get the more precise results is using all the existing tools in this
project. In other words, going back to the 3D CAD design, and setting properly, piece by
piece the material, SolidWorks will give the mass of each part. Indeed, it provides, when
all the data is correct, a useful bill of materials and pieces.
12.2 THE MECHANICAL TEST
• First of all, designer should select the type of profile which is studying. In
this case, Metric, and especially 25-2550.
• After this, select the deflection method by considering the way that
fixtures are working: In this case, two fixed ends.
• Set the profile length: 600 mm
• The idea of this experiment is calculate the maximum load that this profile
could support without deflect more than 0.05 mm.
• The value to check is the “Deflection X” because of the disposition of the
rail.
• For that, some values will be introduced into the “Profile Load” until reach
0.05 mm on “Deflection X” for centered load.
• The maximum load is 38 Kg
Fig. 181 Toolbox results

Chapter 13. Results 163
PART V: CONCLUSIONS
Chapter 13. Results
The result of this project could be summarized as an almost ready to work 3D
printer. Of course, knowing that this project is academically orientated, there are some
aspects of the design that have not been completely developed, in order to embrace a
wide range of solutions.
The project starts with a clear objective: Design and build up a 3D printer which
has to be able to create several objects simultaneously. For that, at the PART I is possible
to find a good background about 3D printers, touching themes like history, the current
market and advantages or disadvantages of 3D printer.
After this, in the PART II there is a general overview of a 3D printer. This helps to
settle all the bases for the new design concepts. With these bases, and knowing the most
typical issues and possible improvements during the design of a 3D printer, PART III
concludes showing the two most interesting concept designs to study.
Finally, in PART IV, after choosing a design, this one is fully developed, by the CAD
model and explained with detail. This part is the one which really took almost all the time
of the project. To reach a detailed model and with all the kinematics working properly is
sometimes hard and time consuming. On the other hand, the study of this model gives
really accurate results and is a powerful tool for all designer because shows the real
problems.
Furthermore, this project is not focused into an exact result as for example a
calculation. The project is the whole design process and all the decisions and
discernment which have conducted to the final model, and of course also the model
itself.
Besides, all of this means that is really hard to sum up only explaining by text,
because one of the most important parts, as said is the whole CAD design, which is made
to work over it and play with the movements and the assembly of different pieces.
Anyways, in order to explain here into the best possible manner the model, during the
whole summary of the project there are several pictures and sketches.
Also, apart from the aforementioned ideas, and also focused into the academic
orientation of this project, this document attach several annexes with different
information, as the detailed mechanical analysis, the definition of the different parts from
catalogues or the plans of some interesting parts. Especially this last annex is remarkable
because it is the only way to transmit properly how the designed pieces are without the
use of the CAD model.
Furthermore it is important to mention everything related with the project

organization and time management: Is possible to find a succinct project´s budget and
some organization charts as for example a Gantt diagram.
In addition, and to sum up the next figure could be presented as the final result of
the CAD model. However, the next two chapters resume the technical contributions of
the project and finally some ideas for future works.
Fig. 182 Final CAD 1

Fig. 183 Final CAD 2

Chapter 14. Technical contributions of the project 166
Chapter 14. Technical contributions of the project

Here is a short summary of some of the contributions of this project to the whole
3D printing technologies scenario:
a) The complete CAD model. It allows future designs to begin from this model
instead of starting from zero. In addition, the CAD model includes the use
of all the tools of SolidWorks and other related CAD software.
b) The mechanical analysis of different parts. These analyses provide a good
base to ensure that the design is reliable.
c) The definition of the critical parts. There are parts which have more
importance for the structural design and some other are important just for
the kinematics but the efforts that these have to support are not relevant
d) Comparison tables with factors. These tables could be used for other
designer to compare similar designs but with different detailed properties.
e) Background and analysis of different parts. These chapters are a good
summary for everybody who wants a general and easy overview of 3D
printing technologies.
f) The main ideas of the disposition of the nozzles.
g) The different issues found during the definition of kinematics and all the
related solutions.
h) The cost and weight calculations, useful for anyone who wants to define
the basics of new models and decide between different distributions.
i) The bill of materials, which in only a few pages summarize all the parts of
the printer, specifying the material, price and in any cases giving some
references.
Chapter 14. Technical contributions of the project 167
Chapter 15. Future works

As other academically-oriented projects, this one has the advantage of embracing
a wide range of topics and points of view but on the other hand some of these topics are
not fully studied or remains for future studies.
One good example for future work is the design presented on Chapter 5.1
PROPOSED DESIGN 1, mainly focused into a modular system. This basic idea could be
more than enough to develop a complete project like this.
In addition there are some other aspects of this project which could be farther
developed:
a) Mechanical testing: The different mechanical tests could go deeply and be

even more precise, considering a lot of different situations of charges and
fixtures.
b) Basic distribution of the arms and nozzles: This could be maybe one of the
most subjective part of the design. It would be really interesting to try with
more dispositions and check the different advantages of each one.
c) The materials: Different pieces are made by different materials. In this
project mainly the idea is to use ABS whenever is possible but this has an
important drawback in mechanical properties. Future studies could work in
this field, by selecting other materials to some pieces.
d) Profiled rails and belts system: This also opens a wide range of options
where is possible to decide and try new designs.
e) Electrical wiring: This is also a really interesting topic to each printer. Of
course the basic structure and all the kinematics are important, but
sometimes several issues may turn up when doing all the electrical
connections. Cables may interrupt the movement over some pieces, tangle
or get unplugged.
f) Filament delivery: similar than the electrical wiring, the delivery of the
plastic fiber could be a source of significant problems. This issue has been
studied a little an explained the main solution of placing some fix points
and the nylon tube, but it could be studied better by designing all this wires
by CAD.
g) The use of delta robot for kinematics.
h) Other heat sources or even other type of printers, like laser printing.
i) Writing a complete assembly manual and with plans and instructions.
Anexo I: Lista de materiales 168
ANEXO I: LISTA DE MATERIALES

Num. Name Quantity Belong to Material Weight (g) Price (per unit) (€) Reference
10 Base 1 Heated Bed AISI 316 SS 96000
11 Geared Shaft 2 Motor ABS 1,3905
12 Hexagon Flange Nut ISO - 4161 - M6 - N 43 Mix Stainles Steel
15 Nema17 4 Mix - 73 15 http://goo.gl/Pb7t7
16 Endcap 2 Profiled Rails ABS 3,45 80/20
17 DIN 625 - 608 - 8,SI,NC,8_68 6 Mix Stainles Steel
18 Connector 1 Profiled Rails - 15,23 80/20
19 Geared Shaft 1 Motor ABS 17,2
20 ISO 4015 - M8 x 60 x 22-N 1 Mix Stainles Steel
23 Washer ISO 7090 - 8 5 Mix Stainles Steel
24 Carriage´s wheels 8 Profiled Rails Stainles Steel 121,82 80/20
25 X Rail 1 Profiled Rails Stainles Steel 242,75 80/20
26 8020-25-4135 4 Profiled Rails ABS 27,03 80/20
27 NozzlesConnector 1 Header Aleación 1060 3379,7
28 nozzle 4 Header Brass and ABS 66,83 60 http://goo.gl/kEU5N
29 DIN 525 - M8 x 140 --- 40N 2 Mix Stainles Steel
30 DIN 525 - M6 x 130 --- 35N 1 Mix Stainles Steel
31 Connector 1 Profiled Rails Stainles Steel 15,53 80/20
32 bed 4 Heated bed - 1223,4 60 http://goo.gl/V3f2F
33 Z Rail 2 Profiled Rails Stainles Steel 339,85 80/20
34 Y Rail 1 Profiled Rails Stainles Steel 291,3 80/20
35 ISO 4762 M6 x 10 --- 10N 25 Mix Stainles Steel
47 ISO 4762 M2.5 x 4 --- 4N 4 Mix Stainles Steel
49 Connector 1 Profiled Rails Stainles Steel 54,98 80/20
50 Motor Holder 1 Motor ABS 28,86
51 Hexagon Nut ISO - 4034 - M6 - N 1 Mix Stainles Steel
52 Hexagon Nut ISO - 4034 - M8 - N 1 Mix Stainles Steel
53 8020-25-4111_FORx_INVERSE 1 Motor ABS2 28,7 80/20
54 Gear Belt Support 1 Motor ABS 18,3
55 Connector 1 Profiled Rails ABS 15,21 80/20
56 Bed_connector 1 Heated Bed ABS 2072,3
57 Stepper motor drive 4 Motor - 29,75 15 http://goo.gl/GQcht
58 ExtruderaBlock_contra 1 Extruder ABS 30,13
59 Geared Wheel 1 1 Extruder ABS 14,519
60 Geared Wheel 2 1 Extruder ABS 1,0664
61 ExtruderaBlock 1 Extruder ABS 34,12
62 T-nut-Square.14124 11 Mix
63 beltjoint 2 Motor ABS 1,34
64 Belt1 2 Motor BUTYL 20,87 19 http://goo.gl/tYjgu
65 Belt2 1 Motor BUTYL 20,28 19 http://goo.gl/tYjgu
66 Washer ISO 7089 - 8 7 Mix Stainles Steel
67 DIN 914 - M2 x 3-N 1 Mix Stainles Steel
68 motorhanger 1 Motor ABS 35,52
69 Spool Holder 4 Extruder ABS 1030,4 10 http://goo.gl/yAaR4
70 ScrewReceptor 1 Motor ABS 7,2
71 ATX power supply 1 Motor - 1,8606 60 http://goo.gl/Orw5A
72 Controller Board 1 Motor - 16,91 170 http://goo.gl/ZVbBH
73 Base 1 1 Profiled Rails - 689,46
74 Top End 3 Profiled Rails BUTYL 6,77
75 Base 2 1 Profiled Rails 697,83 697,83
76 ABS Roll 4 rolls Extruder http://goo.gl/IIDbA
http://goo.gl/2VqXc
Table. 39 Bill of materials
Anexo II: Referencias 171
ANEXO II: REFERENCIAS

As mentioned before, one of the advantages of this project is the huge amount of
information that can be found into different webpages. Even more, due to the different
communities and wikis it is important to mention that almost all the information is
reliable and continuously revised. For that nearly all the sources are different links instead
regular papers or books.
[1] Infography about 3D printing history http://goo.gl/R6F8A

[2] 3D printing: http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
[3] History of 3D printing http://www.squidoo.com/3d-printing-jewellery
[4] Fused Deposition Modellin http://goo.gl/pTjO4
[5] Reprap Project http://reprap.org/wiki/Main_Page
[6] D. Holland, G. O´Donell and G. Bennett : Open Design and the Reprap Project
[7] Extruders http://reprap.org/wiki/Category:Extruders
[8] Thinginverse http://www.thingiverse.com/
[9] 3D printing Industry http://3dprintingindustry.com/
[10] 3D printer Hub http://3dprinterhub.com/
[11] Fab@Home http://www.fabathome.org/
[12] Solidforum http://www.soliforum.com/
[13] Explaining the future, 3D printing directory http://goo.gl/XlSeY
[14] Extruder Options http://www.reprap.org/wiki/RepRap_Options#Extruder
[15] Forbes Magazine http://goo.gl/kizWP
[16] BBC News http://www.bbc.co.uk/news/uk-scotland-20031657
[17] 3Ders http://goo.gl/oQQcF
[18] The rise of additive Manufacturing http://goo.gl/IUUbB
[19] 3D printing benefits http://augmentedtomorrow.com/9-benefits-3d-printing/
[20] Desktop fabricator may kick-start home revolution http://goo.gl/fbAVK
[21] Extruders http://reprap.org/wiki/Category:Extruders
[22] Extruder options http://www.reprap.org/wiki/RepRap_Options#Extruder
[23] Bowden http://www.reprap.org/wiki/Erik%27s_Bowden_Extruder
[24] Teflon Tubes http://www.adtech.co.uk/TubeSize2.html
[25] Geared Extruder http://reprap.org/wiki/Geared_extruder_nozzle
[26] Poulu Stepper Motor http://www.pololu.com/catalog/product/1182/
[27] Stepper motor http://reprap.org/wiki/Stepper_motor
[28] Stepper driver http://reprap.org/wiki/Pololu_stepper_driver_board
[29] F Pierrot, C Reynaud, A Fournier: DELTA: a simple and efficient parallel robot –
Cambridge University Press
[30] Michael Stock and Karol Miller: Optimal Kinematic Design of Spatial Parallel
Manipulators: Application to Linear Delta Robot http://goo.gl/s4iNE
[31] Rostock http://reprap.org/wiki/Rostock
[32] Extruder Nozzle Variations http://reprap.org/wiki/Extruder_Nozzle_Variations
Anexo II: Referencias 172
[33] Heated bed http://www.reprap.org/wiki/Heated_Bed

[34] Heated Bed 2Print Beta http://goo.gl/Sz76y
[35] Calibration process http://reprap.org/wiki/Calibration#Calibration_processes
[36] Rubber heated bed http://store.qu-bd.com/product.php?id_product=60
[37] Mechanical body http://goo.gl/NFvhL
[38] Printrbot http://printrbot.com/
[39] Toolbox http://www.8020.net/Design-Tools-26.asp
[40] 3D printing market infography http://goo.gl/ncVK7
Anexo III: Planificación y diagrama de Gantt 173
ANEXO III: PLANIFICACIÓN Y DIAGRAMA DE GANTT

A continuación se presentan las tareas más relevantes del proyecto con sus
correspondientes fechas de comienzo y fin y representadas mediante un diagrama de
Gantt.
Tarea Nombre de tarea Duración Comienzo Fin Predecesoras

sáb
1 Proyecto 251 días lun 17/09/12
31/08/13
Lectura de normativa y
2 5 días lun 17/09/12 vie 21/09/12
tipología de proyectos
3 Propuesta del proyecto 9 días lun 24/09/12 jue 04/10/12
mié
4 Lecturas preliminares 28 días lun 24/09/12
31/10/12
Establecimiento de objetivos
5 12 días jue 01/11/12 vie 16/11/12 4;3
principales
Formación en el manejo de
6 25 días lun 19/11/12 vie 21/12/12
las herramientas informáticas
mié
7 Elaboración memoria 108 días lun 17/12/12 3;2
15/05/13
8 Diseño conceptual 14 días lun 14/01/13 jue 31/01/13 3;4
9 Comparativas de diseño 9 días lun 21/01/13 jue 31/01/13 3;4
10 Propuestas de diseño 4 días lun 28/01/13 jue 31/01/13 3;4;9
Definición general de la
12 6 días vie 01/02/13 vie 08/02/13 10;8
impresora 3D
12 Extrusor 14 días lun 11/02/13 jue 28/02/13 11
13 Boquillas 6 días vie 01/03/13 vie 08/03/13 11
14 Cama térmica 10 días lun 11/03/13 vie 22/03/13 11
15 Cinemática 20 días lun 25/03/13 vie 19/04/13 11
mar
16 Cálculos mecánicos 22 días lun 01/04/13 11
30/04/13
17 Diseño CAD completo 80 días lun 14/01/13 vie 03/05/13 5;6
18 Resumen en español 25 días lun 10/06/13 vie 12/07/13 17;7
Conclusiones e informe de
19 5 días lun 15/07/13 vie 19/07/13 18
cierre
20 Revisión e impresión 11 días jue 01/08/13 jue 15/08/13 7;18;19
Table. 40 Gantt
Anexo III: Planificación y diagrama de Gantt 174
Fig. 184 Gantt Chart

Anexo IV: Tests mecánicos detallados 175
ANEXO IV: TESTS MECÁNICOS DETALLADOS

A continuación se presenta una lista de los diferentes informes extraídos de los
estudios mecánicos. Dichos informes son generados automáticamente mediante
SolidWorks, y posteriormente se les han añadido algunos comentarios aclaratorios.
Además el último de los informes esta realizado mediante la aplicación Toolbox.
• Header 1
• Header 2
• X-Y Connector
• X motor holder
• Y profiled
• Z motor Holder 1
• Z motor holder 2
• Y Rail by toolbox
Simulation of
NozzlesConnector
Date: 17. April 2013
Designer: Rafael Bobo Garcia
Study name: SimulationXpress Study
Analysis type: Static
Table of Contents
Description .......................................... 1
Assumptions ......................................... 2
Model Information .................................. 2
Material Properties ................................. 4
Loads and Fixtures ................................. 4
Mesh Information ................................... 5
Description Study Results ........................................ 7
Deep analysis of the Header or Nozzle-connector. Conclusion ........................................... 9
This document has been partially created by the automatic
report system of Solid Works
Analyzed with SolidWorks Simulation Simulation of NozzlesConnector 1

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Assumptions
Model Analyzed
Original Model
Model Information

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Model name: NozzlesConnector

Current Configuration: Predeterminado
Solid Bodies
Document Name and Document Path/Date
Treated As Volumetric Properties
Reference Modified
Redondeo6
Mass:1.34985 lb C:\Users\g0404599\Downl
Volume:36.6311 in^3 oads\3Dprinter_20130417
Solid Body Density:0.0368498 lb/in^3 \NozzlesConnector.SLDPR
Weight:1.34894 lbf T
Apr 17 18:08:00 2013

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Material Properties
Model Reference Properties Components
Name: ABS SolidBody
Model type: Linear Elastic Isotropic 8(Redondeo6)(NozzlesConnec
Default failure Unknown tor)
criterion:
Tensile strength: 3e+007 N/m^2
Loads and Fixtures

Fixture name Fixture Image Fixture Details
Entities: 12 face(s)
Type: Fixed Geometry
Fixed-1
Load name Load Image Load Details

Entities: 2 face(s)
Type: Apply normal force
Value: -0.98 N
Force-1

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Mesh Information
Mesh type Solid Mesh
Mesher Used: Standard mesh
Automatic Transition: Off
Include Mesh Auto Loops: Off
Jacobian points 4 Points
Element Size 8.43772 mm
Tolerance 0.421886 mm
Mesh Quality High
Mesh Information - Details

Total Nodes 22987
Total Elements 13202
Maximum Aspect Ratio 14.452
% of elements with Aspect Ratio < 3 94.2
% of elements with Aspect Ratio > 10 0.159
% of distorted elements(Jacobian) 0
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:03
Computer name: LUT2135

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Study Results
Name Type Min Max

Stress VON: von Mises Stress 1.21428 N/m^2 517460 N/m^2
Node: 20686 Node: 21068
NozzlesConnector-SimulationXpress Study-Stress-Stress

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Name Type Min Max

Displacement URES: Resultant Displacement 0 mm 0.67843 mm
Node: 12 Node: 1511
NozzlesConnector-SimulationXpress Study-Displacement-Displacement

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Name Type
Deformation Deformed Shape
NozzlesConnector-SimulationXpress Study-Displacement-Deformation
Conclusion
The deformation exceeds the maximum allowed. The design must be optimized.

Simulatiion of
NozzlesCConnector
Date: 18. april 20
013
Designer: Rafaell Bobo Garcia
Study name: SimulationXpress Study
Analysis type: Sttatic
Table of Con
ntents
Description ........................................... 1
Assumptions .......................................... 2
Material Propertiies ................................. 2
Loads and Fixture
es ................................. 3
Mesh Information
n ................................... 4
Study Results ......................................... 6
Description Conclusion ............................................ 9
Second analysis of the header or nozzzles connector. In this
case the main point is the new material: Aluminum.
Analyzed with SolidWorks Simulation S

Simulation of NozzlesConnector 1
Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Assumptions
Modell Analyzed
Original Model
Material Properties
Name: 1060 Alloy SolidBody
Model type: Linear Elastic Isotropic 3(Redondeo6)(NozzlesConnec
Default failure Unknown tor)
criterion:
Yield strength: 2.75742e+007 N/m^2
Tensile strength: 6.89356e+007 N/m^2
Analyzed with SolidWorks Simulation Sim

mulation of NozzlesConnector 2
Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Loads and Fixtures

Fixture name Fixture Im
mage Fixture Details
Entitiess: 11 face(s)
Type e: Fixed Geometry
Fixed-1
Load name Load Ima

age Load Details
D
Entitiess: 2 face(s)
Type: Apply normal force
Value: -1 N
Force-1

Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Mesh Information
Mesher Used: Standard mesh
Automatic Transition: Off
Include Mesh Auto Loops: Off
Element Size 8.43772 mm
Tolerance 0.421886 mm
Mesh Quality High

Total Nodes 22987
% of distorted elements(Jacobian)) 0
Time to complete mesh(hh;mm;sss): 00:00:02

Rafael Bobo Garcia
18.4.2013

Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Study Results
Name Type Min Max

Stress VON: von Mises Stress 21.8565 N/m^2 540415 N/m^2
Node: 20376 Node: 21068
NozzlessConnector-SimulationXpress Study-Stress-Stress

Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Name Type Min Max

Displacement URES: Resultant Displacement 0 mm 0.0200968 mm
Node: 12 Node: 1511
NozzlesConnecttor-SimulationXpress Study-Displacement-Displaccement

Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Name Type
Deformation Defformed Shape
NozzlesConnec
ctor-SimulationXpress Study-Displacement-Deform
mation

Rafael Bobo Garcia
18.4.2013
Name Type Min Max

Factor of Safety Max von Miises Stress 51.0241 1.2616e+006
Node: 21068 Node: 20376
NozzlesConnectorr-SimulationXpress Study-Factor of Safety-Factorr of Safety
Conclusion
With this new material the deformattion is really low and of course under 0.05 mm so the header is now fully
functional.

Simulación de X-Y
Connector
Fecha: lunes, 22 de abril de 2013
Diseñador: Solidworks
Nombre de estudio: SimulationXpress Study
Tipo de análisis: Estático
Table of Contents
Descripción .......................................... 1
Información de modelo ............................ 2
Propiedades de material .......................... 3
Cargas y sujeciones ................................ 3
Información de malla ..............................4
Resultados del estudio ............................. 6
Descripción Conclusión ........................................... 9
Study of the piece which connects the X arm to the Y arm
Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de 8020-25-4111-DEFAULT 1

Información de modelo
Nombre del modelo: 8020-25-4111-DEFAULT

Configuración actual: Default
Sólidos
Nombre de documento y Ruta al documento/Fecha
Tratado como Propiedades volumétricas
referencia de modificación
Cut-Extrude3
C:\Users\Rafael Bobo
Masa:0.0906442 lb
Garcia\Dropbox\PROYECT
Volumen:0.929268 in^3
O\MY 3D
Sólido Densidad:0.0975437 lb/in^3
DESIGNS\MARZO\8020-25-
Peso:0.0905828 lbf
4111-DEFAULT.SLDPRT
Apr 22 01:02:16 2013

Propiedades de material
Referencia de modelo Propiedades Componentes
Nombre: Aleación 1060 Sólido 1(Cut-Extrude3)(8020-
Tipo de modelo: Isotrópico elástico 25-4111-DEFAULT)
lineal
Criterio de error Tensión máxima de
predeterminado: von Mises
Límite elástico: 2.75742e+007 N/m^2
Límite de tracción: 6.89356e+007 N/m^2
Cargas y sujeciones
Nombre de
Imagen de sujeción Detalles de sujeción
sujeción
Entidades: 3 cara(s)
Tipo: Geometría fija
Fijo-1
Nombre de
Cargar imagen Detalles de carga
carga
Tipo: Aplicar fuerza normal
Valor: -25.48 N
Fuerza-1

Información de malla
Tipo de malla Malla sólida
Mallador utilizado: Malla estándar
Transición automática: Desactivar
Incluir bucles automáticos de malla: Desactivar
Puntos jacobianos 4 Puntos
Tamaño de elementos 2.47956 mm
Tolerancia 0.123978 mm
Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden
Información de malla - Detalles

Número total de nodos 13422
Número total de elementos 7684
Cociente máximo de aspecto 4.3496
% de elementos cuyo cociente de aspecto es < 3 99.7
% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10 0
% de elementos distorsionados (Jacobiana) 0
Tiempo para completar la malla (hh;mm;ss): 00:00:03
Nombre de computadora: RAFAELBG-PC

Resultados del estudio
Nombre Tipo Mín. Máx.

Stress VON: Tensión de von Mises 0.343064 N/m^2 6.1942e+006 N/m^2
Nodo: 12685 Nodo: 13277
8020-25-4111-DEFAULT-SimulationXpress Study-Tensiones-Stress

Displacement URES: Desplazamiento resultante 0 mm 0.0189154 mm
Nodo: 77 Nodo: 8546
8020-25-4111-DEFAULT-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Displacement

Nombre Tipo
Deformation Forma deformada
8020-25-4111-DEFAULT-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Deformation

Factor of Safety Tensión de von Mises máx. 4.45162 8.03764e+007
Nodo: 13277 Nodo: 12685
8020-25-4111-DEFAULT-SimulationXpress Study-Factor de seguridad-Factor of Safety
Conclusión
The displacement is really low, under 0.05 mm, so the piece is well designed.

Simulación de X Motor
Holder
Fecha: martes, 23 de abril de 2013
Diseñador: Rafael Bobo García
Table of Contents
Descripción .......................................... 1
Información de malla .............................. 5
Descripción Conclusión ......................................... 10
Simulación de las deformaciones sufridas por la pieza
encargada de mantener el motor de la coordenada X
Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de 8020-25-4111_FORx_INVERSE 1

Rafael Bobo García
23/04/2013
Nombre del modelo: 8020-25-4111_FORx_INVERSE

Configuración actual: Inverso
Sólidos
Línea de partición2
Masa:0.063277 lb Garcia\Dropbox\PROYECT
Volumen:1.71716 in^3 O\MY 3D
Sólido Densidad:0.0368498 lb/in^3 DESIGNS\MARZO\8020-25-
Peso:0.0632341 lbf 4111_FORx_INVERSE.SLD
PRT
Apr 23 21:01:09 2013

Rafael Bobo García
23/04/2013
Nombre: ABS2 Sólido 1(Línea de
Tipo de modelo: Isotrópico elástico partición2)(8020-25-
lineal 4111_FORx_INVERSE)
Criterio de error Desconocido
predeterminado:
Límite de tracción: 3e+007 N/m^2

Rafael Bobo García
23/04/2013
Cargas y sujeciones
Nombre de
sujeción
Fijo-1
Nombre de
carga
Entidades: 1 cara(s), 1 plano(s)
Referencia: Front Plane
Tipo: Aplicar fuerza
Valores: ---, ---, -2 N
Fuerza-1
Entidades: 1 cara(s), 1 plano(s)

Referencia: Right Plane
Tipo: Aplicar fuerza
Valores: ---, ---, -2.43 N
Fuerza-2

Rafael Bobo García
23/04/2013
Mallador utilizado: Malla basada en curvatura
Tamaño máximo de elemento 0 mm
Tamaño mínimo del elemento 0 mm

% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10 0

Rafael Bobo García
23/04/2013

Rafael Bobo García
23/04/2013

Nodo: 18 Nodo: 11150
8020-25-4111_FORx_INVERSE-SimulationXpress Study-Tensiones-Stress

Rafael Bobo García
23/04/2013

Nodo: 1 Nodo: 174
8020-25-4111_FORx_INVERSE-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Displacement

Rafael Bobo García
23/04/2013
Nombre Tipo
8020-25-4111_FORx_INVERSE-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Deformation

Rafael Bobo García
23/04/2013

8020-25-4111_FORx_INVERSE-SimulationXpress Study-Factor de seguridad-Factor of Safety
Conclusión
Como se puede ver, no hay riesgo de rotura, pues en el punto más crítico, el factor de seguridad es de 16.
Por otro lado, los desplazamientos superan los 0.05 mm pero este desplazamiento no se traduce
directamente en una deformación sobre la posición del cabezal, sino que se ve amortiguado por la tensión
de la correa. En resumen, el resultado es aceptable.

Simulation of
Railz_Ycoordinate
Date: 17. april 2013
Designer: Rafael Bobo Garcia
Study name: Study 1
Analysis type: Static
Table of Contents
Description .......................................... 1
Model Information .................................. 2
Study Properties .................................... 3
Units .................................................. 3
Material Properties ................................. 4
Loads and Fixtures ................................. 5
Description Mesh Information ................................... 6
Simulation of the forces applieds to the Y coordinate arm in Sensor Details ....................................... 7
the worst postulation.
Resultant Forces .................................... 8
Study Results ........................................ 9
Conclusion ......................................... 12
Analyzed with SolidWorks Simulation Simulation of Railz_Ycoordinate 1

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Model Information
Model name: Railz_Ycoordinate

Current Configuration: Default
Solid Bodies
Document Name and Document Path/Date
Treated As Volumetric Properties
Reference Modified
Extrude1
Mass:4.94505 lb C:\Users\g0404599\Downl
Volume:17.7764 in^3 oads\3Dprinter_20130417
Solid Body Density:0.27818 lb/in^3 \Railz_Ycoordinate.SLDPR
Weight:4.94169 lbf T
Apr 17 18:08:00 2013

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Study Properties
Study name Study 1
Analysis type Static
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from SolidWorks Off
Flow Simulation
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SolidWorks document
(C:\Users\g0404599\Downloads\3Dprinter_20130417)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Material Properties
Name: Alloy Steel SolidBody
Model type: Linear Elastic Isotropic 1(Extrude1)(Railz_Ycoordinat
Default failure Max von Mises Stress e)
criterion:
Yield strength: 6.20422e+008 N/m^2
Tensile strength: 7.23826e+008 N/m^2
Elastic modulus: 2.1e+011 N/m^2
Poisson's ratio: 0.28
Mass density: 7700 kg/m^3
Shear modulus: 7.9e+010 N/m^2
Thermal expansion 1.3e-005 /Kelvin
coefficient:
Curve Data:N/A

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Loads and Fixtures

Fixture name Fixture Image Fixture Details
Entities: 1 face(s)
Type: Fixed Geometry
Fixed-1
Resultant Forces
Components X Y Z Resultant
Reaction force(N) 30.0023 0.00104874 0.00357592 30.0023
Reaction Moment(N-m) 0 0 0 0
Load name Load Image Load Details

Entities: 1 face(s)
Reference: Edge< 1 >
Type: Apply force
Force-1 Values: ---, ---, 30 N

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Mesh Information
Mesher Used: Curvature based mesh
Maximum element size 19.3428 mm
Minimum element size 3.86856 mm
Mesh Quality High

Total Nodes 206425
% of distorted elements(Jacobian) 0
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:21

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Sensor Details
Sensor name Location Sensor Details

Value :
Entities :
Result :Displacement
Component :URES: Resultant Displacement
Displacement1
Criterion :Model Max
Step Criterion : Across all Steps
Step No.:1
Alert Value: NA

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Resultant Forces
Reaction Forces
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N 30.0023 0.00104874 0.00357592 30.0023
Reaction Moments
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N-m 0 0 0 0

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Study Results
Name Type Min Max

Stress1 VON: von Mises Stress 14834.2 N/m^2 4.29447e+006 N/m^2
Node: 183561 Node: 13452
Railz_Ycoordinate-Study 1-Stress-Stress1

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Name Type Min Max

Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm 0.0857334 mm
Node: 1 Node: 13525
Railz_Ycoordinate-Study 1-Displacement-Displacement1

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Name Type Min Max

Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 5.84852e-008 1.58074e-005
Element: 30248 Element: 111402
Railz_Ycoordinate-Study 1-Strain-Strain1

Rafael Bobo Garcia
17.4.2013
Name Type
Displacement1{1} Deformed Shape
Railz_Ycoordinate-Study 1-Displacement-Displacement1{1}
Conclusion
This could be considered as the worst situation, because al the force is applied in one side and the fixtures
are all in the opposite side which is not the real situation.
The deformation exceeds the limit so this case could be the border of the design

Simulación de Z Motor
Holder 1
Tabla de contenidos
Descripción .......................................... 1
Primer análisis de la pieza encargada de sustentar el motor
de la coordenada Z
Analizado con SolidWorks Simulation Simulación de motorhanger 1

Rafael Bobo García
22/04/2013
Nombre del modelo: motorhanger

Configuración actual: Predeterminado
Sólidos
Masa:0.100096 lb
O\MY 3D
DESIGNS\MARZO\motorha
Peso:0.100028 lbf
nger.SLDPRT
Apr 22 20:55:39 2013

Rafael Bobo García
22/04/2013
Tipo de modelo: Isotrópico elástico partición1)(motorhanger)
lineal
Criterio de error Tensión máxima de
predeterminado: von Mises

Rafael Bobo García
22/04/2013
Cargas y sujeciones
Nombre de
sujeción
Fijo-3
Nombre de
carga
Valor: -33.43 N
Fuerza-3

Rafael Bobo García
22/04/2013

% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10 0.182

Rafael Bobo García
22/04/2013

Rafael Bobo García
22/04/2013

Nodo: 19951 Nodo: 19643
motorhanger-SimulationXpress Study-Tensiones-Stress

Rafael Bobo García
22/04/2013

Nodo: 128 Nodo: 648
motorhanger-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Displacement

Rafael Bobo García
22/04/2013
Nombre Tipo
motorhanger-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Deformation

Rafael Bobo García
22/04/2013

Nodo: 19643 Nodo: 19951
motorhanger-SimulationXpress Study-Factor de seguridad-Factor of Safety
Conclusión
Aunque el factor de seguridad es alto y no hay riesgo de rotura, las deformaciones son demasiado elevadas,
por lo que la pieza debe ser optimizada.

Simulación de Z Motor
holder
Tabla de contenidos
Descripción .......................................... 1
Segundo diseño de la pieza que sustenta el motor para la
coordenada Z. Se han incrementado los grosores de algunas
paredes así como añadido ciertos nervios y estructuras de
soporte.

Rafael Bobo García
22/04/2013
Nombre del modelo: motorhanger

Configuración actual: Predeterminado
Sólidos
Masa:0.295275 lb
O\MY 3D
DESIGNS\MARZO\motorha
Peso:0.295075 lbf
nger.SLDPRT
Apr 22 19:20:22 2013

Rafael Bobo García
22/04/2013
Tipo de modelo: Isotrópico elástico partición4)(motorhanger)
lineal
Criterio de error Desconocido
predeterminado:

Rafael Bobo García
22/04/2013
Cargas y sujeciones
Nombre de
sujeción
Fijo-1
Fijo-2
Nombre de
carga
Valor: -33.43 N
Fuerza-2

Rafael Bobo García
22/04/2013

% de elementos cuyo cociente de aspecto es > 10 0.128

Rafael Bobo García
22/04/2013

Rafael Bobo García
22/04/2013

Nodo: 227 Nodo: 42288
motorhanger-SimulationXpress Study-Tensiones-Stress

Rafael Bobo García
22/04/2013

motorhanger-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Displacement

Rafael Bobo García
22/04/2013
Nombre Tipo
motorhanger-SimulationXpress Study-Desplazamientos-Deformation

Rafael Bobo García
22/04/2013

Factor of Safety Tensión de von Mises máx. 21.0042 158048
Nodo: 42288 Nodo: 227
motorhanger-SimulationXpress Study-Factor de seguridad-Factor of Safety
Conclusión
Como se puede ver el factor de seguridad es alto. Por otro lado la deformación alcanza y supera los 0.05
mm, pero es importante mencionar que este valor no se traduce en una deformación directa de la posición
del cabezal. La actuación extra del tornillo adosado al motor rigidiza la pieza de manera que esta
deformación se reduce notablemente, por lo que este valor es totalmente asumible.

Profile:
2020
Load: Yield Strength:
83,79 Lbs. 35000 Lbs. / Sq. In.

38 Kg. 241,3 N/mm²
Length: Modulus Of Elasticity: Moment Of Inertia X: Moment Of Inertia Y:
23,62 In. 10200000 Lbs. / Sq. In. 0,5509 In.^4 0,5509 In.^4
600 mm 70326,5 N/mm² 22,930189 cm^4 22,930189 cm^4
Deflection X Deflection Y
0,001 In. 0,0038 In.

0,0253 mm 0,0964 mm
0,002 In. 0,0075 In.

0,0498 mm 0,1897 mm
Length From Left Length From Right
11,81 In. 299,974 mm 11,81 In. 299,974 mm
0,002 In. 0,0075 In.

0,0498 mm 0,1872 mm
Copyright© 2010, 80/20® Inc., all rights reserved. 80/20® Inc. S 400 E Columbia City, IN 46725 Ph: 260-248-8030 www.8020.net
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

INDUSTRIALES
CÁTEDRA DE PROYECTOS
“Diseño de una impresora 3D capaz de

crear múltiples objetos simultáneamente”
PROYECTO FIN DE CARRERA

Nº 13406046
PRESUPUESTO
RAFAEL BOBO GARCÍA

SEPTIEMBRE 2013
Presupuesto 2
ÍNDICE DEL PRESUPUESTO
V.I INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 3

V.2 ESTUDIOS PREVIOS ........................................................................................... 3
V.3 DISEÑO CAD ...................................................................................................... 4
V.4 ELABORACIÓN MEMORIA ................................................................................ 4
V.5 DESGLOSE......................................................................................................... 5
V.6 PROTOTIPO ...................................................................................................... 6
V.7 COMENTARIOS ................................................................................................. 8
Presupuesto 3
V.I INTRODUCCIÓN
En éste anexo se realiza una valoración del coste incurrido en el proyecto. Al ser un
proyecto principalmente teórico, sin haber llegado a realizar un prototipo final de la
máquina, los costes estarán básicamente divididos entre las diferentes fases del proyecto,
desde estudios previos y elaboración del modelo CAD hasta la escritura de la memoria y su
depuración. A su vez, dichas fases constarán de gastos englobados en dos familias:
dedicación temporal de autor del proyecto y el uso de equipos informáticos.
Por último, a título orientativo, pese a no haber desarrollado el prototipo de la

máquina, se hará un presupuesto de lo que costaría fabricar ese primer modelo.
V.2 ESTUDIOS PREVIOS
Extracto del presupuesto de los conceptos relacionados con los estudios previos al
desarrollo técnico del modelo de la impresora.
CÁTEDRA DE DISEÑO DE UNA IMPRESORA 3D CAPAZ DE IMPRIMIR MÚLTIPLES E.T.S.I.I

PROYECTOS COPIAS SIMULTÁNEAMENTE U.P.M
PRESUPUESTO
Nº Precio unitario Importe
Nº de orden CONCEPTOS
UNIDAD
Lectura de normativa de 8,75 €/hora 87,5 €
1 10
proyectos
2 Lecturas preliminares 50 8,75 €/hora 437,5 €
3 Propuesta del proyecto 5 8,75 €/hora 43,75 €
Establecimiento de 8,75 €/hora 52,5 €
4 6
objetivos
5 Equipo informático 0,08 700 €/2 años 56 €
TOTAL 677,25 €
Nombre: Rafael Bobo García Documento: Presupuesto-Estudios
Número: 06046 previos
Table. 1 Presupuesto Estudios previos
Presupuesto 4
V.3 DISEÑO CAD
Parte del presupuesto relacionada con la creación y el desarrollo del modelo CAD
completo de la impresora 3D.

PRESUPUESTO
UNIDAD
Formación en el manejo del 8,75 €/hora 1093,75 €
1 125
programa CAD
2 Diseño conceptual 50 8,75 €/hora 437,5 €
Elaboración del modelo 8,75 €/hora 3500 €
3 400
CAD
4 Cálculos mecánicos 100 8,75 €/hora 875 €
700 €/2 175 €
5 Equipo informático 0,25
años
15.000 €/3 2250 €
6 Licencia SolidWorks 0,15
años
TOTAL 8831,25 €
Nombre: Rafael Bobo García Documento: Presupuesto-Diseño CAD
Número: 06046
Table. 2 Presupuesto Diseño CAD
V.4 ELABORACIÓN MEMORIA

PRESUPUESTO
UNIDAD
Formación en el manejo 8,75 €/hora 43,75 €
1 5
de Microsoft Project
Elaboración de la 8,75 €/hora 1312,5 €
2 150
memoria
3 Elaboración del resumen 50 8,75 €/hora 437,5 €
4 Anexos 20 8,75 €/hora 175 €
5 Revisiones 50 8,75 €/hora 437,5 €
6 Preparación presentacion 10 8,75 €/hora 87,5 €
7 Impresión 600 0,06 €/página 36 €
8 Licencia Office 0,3 1.000 €/3 años 1000 €
9 Licencia Microsoft Project 0,3 0 €/3 años 0 €
TOTAL 3529,75 €
Nombre: Rafael Bobo García Documento: Presupuesto-Elaboración
Número: 06046 memoria
Table. 3 Presupuesto Elaboración memoria

Presupuesto 5
V.5 DESGLOSE
Presupuesto resultante en las tres fases principales así como desglosado por el tipo
de concepto (horas o equipos).

PRESUPUESTO
Nº de orden CONCEPTOS Nº UNIDAD Precio unitario Importe
1 Estudios previos 1 677,25 € 677,25 €
2 Diseño CAD 1 8331,25 € 8331,25 €
3 Elaboración memoria 1 3529,75 € 3529,75 €
TOTAL 12538,25 €
Nombre: Rafael Bobo García Documento: Presupuesto-Fases
Número: 06046
Table. 4 Presupuesto Fases

PRESUPUESTO
Nº
Nº de orden CONCEPTOS Precio unitario Importe
UNIDAD
1 Horas de trabajo 1031 8,75 €/hora 9021,25 €
Lectura de normativa de
1.2 10 8,75 €/hora 87,5 €
proyectos
1.2 Lecturas preliminares 50 8,75 €/hora 437,5 €
1.3 Propuesta del proyecto 5 8,75 €/hora 43,75 €
Establecimiento de
1.4 6 8,75 €/hora 52,5 €
objetivos
Formación en el manejo
1.5 125 8,75 €/hora 1093,75 €
del programa CAD
1.6 Diseño conceptual 50 8,75 €/hora 437,5 €
Elaboración del modelo
1.7 400 8,75 €/hora 3500 €
CAD
1.8 Cálculos mecánicos 100 8,75 €/hora 875 €
Formación en el manejo
1.9 5 8,75 €/hora 43,75 €
de Microsoft Project
1.10 Elaboración de la memoria 150 8,75 €/hora 1312,5 €
1.11 Elaboración del resumen 50 8,75 €/hora 437,5 €
1.12 Anexos 20 8,75 €/hora 175 €
1.13 Revisiones 50 8,75 €/hora 437,5 €
1.14 Preparación presentacion 10 8,75 €/hora 87,5 €
2 Equipos Informáticos 1 3517 € 3517 €
2.1 Equipo informático CAD 0,08 700 €/2 años 56 €
Equipo informático
2.2 0,25 700 €/2 años 175 €
Memoria
2.3 Licencia SolidWorks 0,15 15.000 €/3 años 2250 €
2.4 Licencia Office 0,3 1.000 €/3 años 1000 €
Presupuesto 6
2.5 Licencia Microsoft Project 0,3 0 €/3 años 0 €

2.6 Impresión 600 0,06 €/página 36 €
TOTAL 12538,25 €
Nombre: Rafael Bobo García Documento: Presupuesto-Total
Número: 06046 desglosado
Table. 5 Presupuesto Total desglosado
V.6 PROTOTIPO
Presupuesto orientativo para la fabricación casera de un primer prototipo. Incluye los

gastos básicos en materiales y la dedicación horaria. Se han excluido otras consideraciones o
gastos más genéricos y se ha supuesto que para las piezas impresas solo se pagaría por el
material (no por el uso derivado de otra impresora).

PRESUPUESTO
Nº
Nº de orden CONCEPTOS Precio unitario Importe
UNIDAD
10 Base 1 10 € 10 €
11 Geared Shaft 2 0.039 € 0,078 €
12 Hexagon Flange Nut M6 43 0.03 € 1,29 €
15 Nema17 4 15 € 60 €
16 Endcap 2 1 € 2 €
17 DIN 625 - 608 - Bearing 6 0.03 € 0,18 €
18 Connector 1 0.4569 € 0,4569 €
19 Geared Shaft 1 0.516 € 0,516 €
20 ISO 4015 - M8 x 60 x 22-N 1 0.03 € 0,03 €
21 ISO 4015 - M8 x 50 x 22-N 1 0.03 € 0,03 €
22 ISO 4015 - M8 x 70 x 70-N 1 0.03 € 0,03 €
23 Washer ISO 7090 - 8 5 0.03 € 0,15 €
24 Carriage´s wheels 8 3,63 € 29,04 €
25 X Rail 1 10 € 10 €
26 8020-25-4135 4 5 € 20 €
27 NozzlesConnector 1 25 € 25 €
28 nozzle 4 60 € 240 €
29 DIN 525 - M8 x 140 --- 40N 2 0.03 € 0,06 €
30 DIN 525 - M6 x 130 --- 35N 1 0.03 € 0,03 €
31 Connector 1 0.5 € 0,5 €
32 bed 4 60 € 240 €
33 Z Rail 2 10 € 20 €
34 Y Rail 1 10 € 10 €
35 ISO 4762 M6 x 10 --- 10N 25 0.03 € 0,75 €
36 ISO 4762 M6 x 16 --- 16N 6 0.03 € 0,18 €
Presupuesto 7
37 ISO 4762 M8 x 45 --- 28N 1 0.03 € 0,03 €

38 ISO 4762 M6 x 50 --- 50N 2 0.03 € 0,06 €
39 ISO 4762 M6 x 50 --- 24N 6 0.03 € 0,18 €
40 ISO 4762 M6 x 40 --- 24N 16 0.03 € 0,48 €
41 ISO 4762 M6 x 60 --- 60N 5 0.03 € 0,15 €
42 ISO 4762 M6 x 25 --- 25N 2 0.03 € 0,06 €
43 ISO 4762 M6 x 12 --- 12N 12 0.03 € 0,36 €
44 ISO 4762 M4 x 6 --- 6N 7 0.03 € 0,21 €
45 ISO 4762 M3 x 5 --- 5N 16 0.03 € 0,48 €
46 ISO 4762 M8 x 55 --- 55N 3 0.03 € 0,09 €
47 ISO 4762 M2.5 x 4 --- 4N 4 0.03 € 0,12 €
48 ISO 4762 M5 x 50 --- 50N 16 0.03 € 0,48 €
49 Connector 1 1.65 € 1,65 €
50 Motor Holder 1 0.8 € 0,8 €
51 Hexagon Nut ISO-4034-M6 1 0.03 € 0,03 €
52 Hexagon Nut ISO-4034-M8 1 0.03 € 0,03 €
53 8020-25-111_FORx_INVERSE 1 0.87 € 0,87 €
54 Gear Belt Support 1 0.56 € 0,56 €
55 Connector 1 0.46 € 0,46 €
56 Bed_connector 1 62.16 € 62,16 €
57 Stepper motor drive 4 15 € 60 €
58 ExtruderaBlock_contra 1 0.9 € 0,9 €
59 Geared Wheel 1 1 0.43 € 0,43 €
60 Geared Wheel 2 1 4.02 € 4,02 €
61 ExtruderaBlock 1 1.6 € 1,6 €
62 T-nut-Square.14124 11 0.05 € 0,55 €
63 beltjoint 2 0.6 € 1,2 €
64 Belt1 2 19 € 38 €
65 Belt2 1 19 € 19 €
66 Washer ISO 7089 - 8 7 0.03 € 0,21 €
67 DIN 914 - M2 x 3-N 1 0.03 € 0,03 €
68 motorhanger 1 2.3 € 2,3 €
69 Spool Holder 4 10 € 40 €
70 ScrewReceptor 1 0.35 € 0,35 €
71 ATX power supply 1 60 € 60 €
72 Controller Board 1 170 € 170 €
73 Base 1 1 10 € 10 €
74 Top End 3 1 € 3 €
75 Base 2 1 10 € 10 €
76 ABS Roll 4 30 € 120 €
77 Assembly 50 8,75 €/h 120 €
TOTAL 1403 €
Nombre: Rafael Bobo García Documento: Presupuesto-
Número: 06046 Elaboración prototipo
Table. 6 Presupuesto Prototipo
Presupuesto 8
V.7 COMENTARIOS
El coste de las horas de trabajo han sido estimadas con base al sueldo de ingeniero
recién incorporado a una empresa de Nuevas Tecnologías, según convenio unos 1500 €/mes
con un trabajo de 8 horas diarias en 14 pagas y 1 mes de vacaciones. Según convenio la hora
es valorada a 8'75 €/hora.
Respecto al coste de los equipos, se ha utilizado un ordenador portátil, valorado en

700 € y que se considerará amortizado en 2 años, por lo que para el proyecto solo influirá un
porcentaje, prorrateado según los meses de cada fase. Mismo procedimiento se ha realizado
con las licencias de software. Para la de SolidWorks, Microsoft Office y Microsoft Project se
ha considerado una amortización en 3 años, si bien en caso de no realizar el prototipo, es
posible utilizar licencias académicas.
Respecto al modelo prototipo, destacar que es un presupuesto orientativo basado en

la lista de materiales elaborada y considerando que el ensamblaje se realizaría también por
un ingeniero con el mismo sueldo, si bien estas estimaciones podrían varias. En el caso de
decidir producir la impresora en serie habría que recalcular los presupuestos, obteniendo
probablemente un precio menor por unidad.
Con ello se concluye que el coste del prototipo, en caso de fabricarse sería de 1403 €
(mil cuatrocientos tres) y el coste del proyecto asciende a la cantidad de 12538,25 € (doce
mil quinientos treinta y ocho con veinticinco).

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

“Diseño de una impresora 3D capaz de

PROYECTO FIN DE CARRERA

RAFAEL BOBO GARCÍA

La Lappeenranta University of Technology (con sus siglas LUT o Lappeenrannan

A día de hoy, uno de los pilares fundamentales de la

Como reflejo de todo lo anterior, en 2011 LUT comenzó el proyecto “Green

La universidad está formada por unos 930 empleados y alrededor de 5.700

según el interés del alumno, decidiendo asignaturas y metodologías, pudiendo obtener

Cabe destacar que LUT ofrece diferentes programas de Máster acreditados

LUT MECHANICAL ENGINEERING

“Heavy as metal, hard as steel”

El departamento de Ingeniería mecánica ha

Uno de los núcleos de las habilidades del departamento es el continuo desarrollo

Experiencia Integrada: Con esta idea de integración, el departamento de

A continuación aparece la memoria original, escrita en inglés y entregada en la

En la Parte I se sientan las bases del proyecto mediante el capítulo de

En la Parte II comienza dicho proceso de diseño. Antes de pasar a decisiones de

En la Parte III, y gracias a la ya adquirida visión general se concretan las

En la Parte IV comienza el diseño CAD de la impresora a desarrollar. En el Capítulo

En la Parte V se presentan las conclusiones del proyecto. En primer lugar en el

Concluidas estas cinco partes, siguen a la memoria los diferentes anexos:

En el Anexo I se presenta de forma sintetizada una tabla que resume los

En el Anexo II se muestra la lista de referencias más importantes, utilizadas a lo

En el Anexo III se encuentra la planificación del proyecto, básicamente consistente

En el Anexo IV se encuentra el presupuesto detallado.

Por último, en el Anexo V, y también como complemento al diseño CAD se

3.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE UNA IMPRESORA 3D ..................... 32

7.1 MOTOR ......................................................................................................... 55

PART I: INTRODUCTION ....................................................................................................... 88

3.2.8 Hobbed bolt:.................................................................................... 105

7.3 TORQUE CALCULATIONS ............................................................................ 124

11.3 MOVEMENT ON Y COORDINATE .......................................................... 150

Fig. 40 Bloque sujeción camas ................................................................................. 59

Fig. 81 80/20 Toolbox............................................................................................... 77

Fig. 85 3D Printing system ........................................................................................ 89

Fig. 121 Designed extruder .................................................................................... 127

Fig. 162 Final X-Rail ................................................................................................ 149

Table. 19 Geared Extruder, printed parts [25]....................................................... 103

Table. 39 Bill of materials ....................................................................................... 170

Table. 41 Presupuesto Estudios previos ..................................................Presupuesto

Para ello, en primer lugar se le presentarán al lector descripciones sobre las

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