DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ESTRUCTURA CARTESIANA APLICADA A UNA IMPRESORA 3D PARA DEPOSICIÓN DE MATERIAL EN 5 EJES

Abstract

Este proyecto aborda el diseño, la fabricación y la validación de una plataforma de impresión 3D de cinco grados de libertad síncronos mediante el retrofit de una impresora cartesiana comercial (Prusa MK3S). Para solucionar los fallos de tolerancia geométrica de los modelos de código abierto previos, se rediseñó por completo el conjunto mecánico de la cuna basculante y rotativa. La gestión electrónica se resolvió mediante la integración de una placa industrial Duet 3 Mini 5+ con RepRapFirmware para controlar de forma síncrona los cinco motores en lazo abierto.

En el bloque de desarrollo de software, se modeló la cinemática del sistema mediante matrices de transformación homogénea para resolver el problema cinemático directo e inverso. A partir de este modelo, se programaron en Python tres algoritmos de laminación (slicing) propios (indexado, volumétrico y mixto plano-cilíndrico), además de un entorno interactivo de Gemelo Digital orientado a la predicción de trayectorias de código numérico y la prevención de colisiones destructivas.

Finalmente, la viabilidad de la plataforma fue validada con éxito en el laboratorio. Tras corregir las desalineaciones de capas preliminares en tres ejes mediante el modo SpreadCycle a corriente nominal constante, se ejecutaron los ensayos experimentales multieje. El sistema demostró ser capaz de la manufactura real de piezas de revolución y superficies alabeadas complejas, culminando en la fabricación exitosa de un rodete de turbina Kaplan de forma totalmente autoportante, eliminando por completo el uso de estructuras de soporte mecánicas y preservando la integridad superficial de las zonas funcionales.

This project addresses the design, manufacturing, and validation of a synchronous five-degree-of-freedom 3D printing platform through the retrofit of a commercial Cartesian printer (Prusa MK3S). To resolve the geometric tolerance flaws found in previous open-source designs, the mechanical assembly of the tilting and rotary bed was completely redesigned. Electronic management was achieved by integrating an industrial Duet 3 Mini 5+ board running RepRapFirmware to synchronously control the five motors in an open-loop configuration.

In the software development section, the system's kinematics were modeled using homogeneous transformation matrices to solve both the forward and inverse kinematics problems. Based on this model, three proprietary slicing algorithms (indexed, volumetric, and mixed planar-cylindrical) were programmed in Python, alongside an interactive Digital Twin environment designed for numerical code trajectory prediction and the prevention of destructive collisions.

Finally, the viability of the platform was successfully validated in the laboratory. After correcting preliminary layer-shifting flaws in three axes by applying SpreadCycle mode at a constant nominal current, multi-axis experimental trials were conducted. The system proved capable of the actual manufacturing of complex bodies of revolution and warped surfaces, culminating in the successful fabrication of a Kaplan turbine runner in a fully self-supporting manner, completely eliminating the use of mechanical support structures and preserving the surface integrity of the functional zones.