Orientaciones sobre el uso de la impresora 3D en el aula

El presente manual tiene como finalidad que el profesorado de los centros educativos se familiarice con el uso la la impresora 3D de BQ, modelo Hephestos 2.

El último informe Horizon Report: 2016 K-12 Edition, publicado por New Media Consortium (NMC) y Consortium for School Networking (CoSN) que identifica, analiza y describe las seis tecnologías emergentes llamadas a tener un impacto significativo en la Enseñanza Primaria y Secundaria en los próximos cinco años (2016-2020), hace referencia a los Makerspaces, talleres informales que se desarrollan en las instalaciones de una comunidad o en instituciones educativas, en los que los usuarios – de todas las edades, y no sólo entusiastas de las tecnologías, sino también artistas, ingenieros, constructores, y, en general, todas aquellas personas apasionadas por crear cosas- se juntan para diseñar y concebir prototipos o productos en un contexto creativo en el que prima la colaboración y la filosofía de “hazlo tú mismo”. En ellos se ofrece un acceso comunitario y cooperativo a dispositivos y suministros. Estos talleres creativos pueden constar de un equipamiento que incluya, entre otros, la impresora 3D.

La impresión 3D nos permite introducir al alumnado en la fabricación digital, proporcionando un plus añadido en la educación, la ciencia y la investigación creativa, pasando a ser creadores de productos y conocimientos. Todo ello a través de metodologías activas basadas en la resolución de problemas o creación de proyectos, donde el alumnado es el centro del proceso de enseñanza-aprendizaje.

Estas metodologías, además potencian el STEM, acrónimo en inglés de los nombres de cuatro materias o disciplinas académicas: Science, Technology, Engineering y Mathematics, que en nuestro sistema educativo corresponden a las Ciencias Naturales, la Tecnología y las Matemáticas. En la actualidad, el impulso de iniciativas STEM se ha convertido en uno de los objetivos fundamentales de la planificación educativa no sólo de países como Estados Unidos, Reino Unido o Finlandia, sino también del conjunto de la Unión Europea y de diversos organismos internacionales.

Por todo ello, las impresoras 3D apuntan a ser en pocos años un dispositivo más, que junto a tabletas, proyectores, formará parte del mobiliario imprescindible del aula de cualquier centro de enseñanza.

¿Qué es la tecnología de impresión 3D?

La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición donde un objeto tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material. Las impresoras 3D son, por lo general, más rápidas, más baratas y más fáciles de usar que otras tecnologías de fabricación por adición, aunque como cualquier proceso industrial, estarán sometidas a un compromiso entre su precio de adquisición y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos.

Las impresoras 3D ofrecen a los desarrolladores de productos, la capacidad para imprimir partes y montajes hechos de diferentes materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, a menudo con un simple proceso de montaje.

Desde 2003 ha habido un gran crecimiento en la venta de impresoras 3D, al mismo tiempo que el coste de las mismas se ha reducido. Esta tecnología también encuentra uso en campos tales como joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería y construcción, automoción y sector aeroespacial, industrias médicas, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil y muchos otros.

El Center for Bits and Atoms (CBA), la rama del Massachusetts Institute of Technology (MIT) que explora cómo la información se relaciona con su representación física, investiga desde hace siete años sobre la creación de máquinas que permitan la fabricación digital. Se ha marcado como objetivo llevar la impresión digital a todo el mundo y que la producción de un objeto deje de ser exclusivo de una planta de fabricación para convertirlo en algo que cualquiera pueda hacer en casa.

Todo ello da pie a que la próxima vez que pronuncie “imprimir” no dibuje en su mente una impresora matricial, de tinta o láser y un papel saliendo con letras en tinta negra. Esta imagen pertenece únicamente a una pequeña parte de su significado. La palabra ha crecido y en un tiempo no será raro escuchar que objetos comunes, alimentos u órganos vitales puedan ser impresos.

La impresión 3D en el aula

En la red se puede encontrar literatura sobre la impresión 3D y su uso en distintos ámbitos. En todos ellos siempre se hace hincapié en la impronta de esta tecnología en la educación, pero pocos concretan sus utilidades. Por ello, en las siguientes líneas, queremos orientar sobre su uso en la educación y sólamente hablamos de orientar, ya que el verdadero uso de la misma y su potencial se hará visible gracias a los docentes y discentes de nuestros centros.

Contar con una impresora 3D en los centros de primaria y secundaria da pie a descubrir las posibilidades que tiene diseñar en 3D y lo sencillo que puede llegar a ser materializar una idea o un diseño. Esto implica un gran cambio de mentalidad y promueve la creación.

Pero, ¿qué ventajas nos aporta disponer de una impresora 3D en el aula? Pues señalamos algunas opciones:

  • Fomentar la creatividad y la capacidad de resolver problemas: una de las principales ventajas es la capacidad para materializar las ideas en objetos reales. Esta funcionalidad provoca un cambio de mentalidad en el alumnado, ya que tiene que superar los obstáculos que surjan en el mundo físico aplicando la creatividad y la innovación hasta obtener el resultado deseado. La adquisición de estas aptitudes prepara mejor al alumnado para el futuro mundo laboral.
  • Generar una mayor participación: las impresoras 3D convierten las experiencias de aprendizaje en un proceso mucho más lúdico y participativo. Existen centros escolares que crean espacios comunes para que el alumnado pueda explorarlos de manera conjunta, donde el papel dinamizador del docente es muy importante.
  • Promover la motivación hacia el aprendizaje: la posibilidad de aprender a través de la práctica y poder palpar sus diseños, hace que el alumnado muestre un mayor interés y dispare su motivación por el aprendizaje. En definitiva, pasar de las clases teóricas a la creación propia puede ser un gran incentivo en el proceso de aprendizaje.
  • Hacer de la abstracción algo sencillo de entender: al poder manipular los ejemplos facilitamos la adquisición del conocimiento, ya que como indican algunas teorías psicológicas, a mayor implicación de los sentidos mayor será la adquisición del aprendizaje, por lo que a escuchar y observar se le une el tocar.
  • Facilitar la tarea docente: las áreas o materias de ciencias, tecnología, ingeniería y matemáticas tienen en las impresoras 3D unas grandes aliadas, ya que permiten trasladar a un escenario real conceptos que, en ocasiones, son difíciles de comprender. Sin embargo, y aunque su uso está generalmente asociado a estas materias, las impresoras 3D también pueden utilizarse en áreas como geografía o historia para recrear mapas topográficos o lugares y personajes, etc.
  • Promover el trabajo interdisciplinar: muchos de los procesos de impresión se prestan a la realización de actividades donde intervienen varias materias.
  • Promover trabajar por proyectos: Metodologías como el Aprendizaje Basado en Proyectos o el Design Thinking a priori se presentan como las más idóneas, pero no debemos olvidar que estas pueden acompañarse de otras metodologías, como puede ser los sistemas de agrupamientos del aprendizaje cooperativo o las rutinas y destrezas de pensamiento del aprendizaje basado en el pensamiento.

Otra de las visiones del uso de la impresora dentro del aula se centra en la impresión de objetos o utensilios para el uso educativo. Por ejemplo, si necesitamos una regleta de Cuisenaire, nos dirigimos a un repositorio, descargamos el archivo e imprimimos la misma. Esta opción es la más parecida a una impresora común de papel.

Por último, recalcar que el uso educativo de la impresora 3D se tiene que centrar en los aprendizajes especificados en las distintas áreas o materias, y no solo en las materias específicas de ciencia y tecnología, sino en todas aquellas del currículo de las distintas etapas educativas, donde se evidencie el proceso de impresión, que conlleva principalmente la creación, diseño, laminación e impresión de un objeto contextualizado en su currículo. Es decir, donde el alumnado sea el protagonista de la creación e impresión de un objeto de 3 dimensiones.

Proceso de impresión

El proceso de impresión se puede resumir en 4 pasos: generación de ideas, creación de un modelo o diseño, laminación e impresión. Cada uno de estos pasos los iremos explicando a través del siguiente ejemplo:

En un centro de Educación Primaria se propone al alumnado crear una mascota para la biblioteca que a posteriori se convertirá en un llavero. Ante este reto el alumnado realizará los siguientes pasos:

1º Generar una idea en papel.

2º Realizar un diseño de la idea planteada en un programa de diseño gráfico asistido por ordenador (CAD), en este caso se utiliza Tinkercad. Al finalizar el mismo, ha de generar un archivo con extensión STL (siglas provenientes del inglés “‘STereo Lithography'”‘)

Nota: Puedes consultar programas de diseño.

3º Abrir el archivo .STL, en un programa de laminación, encargado de dividir el modelo 3D en capas y generar el fichero G-code correspondiente. Este fichero será el que contendrá las órdenes a ejecutar por la impresora 3D para que, al ir depositando sucesivamente el material según esas capas previamente definidas, fabrique la pieza física. En este caso, se utiliza el programa Cura 2, que genera un archivo con extensión .GCODE.

Nota: Puedes consultar programas de laminado.

4º Enviar el archivo con extensión .GCODE a la impresora a través del cable USB o bien guardar el archivo en la tarjeta SD para imprimirlo directamente.

Partes de la impresora

A continuación expondremos las partes de la impresora Hephestos 2 de la empresa BQ:

  1. Vista general
    • Bobina de filamento
    • Cama: superficie donde se deposita el material extruido.
    • Extrusor: es la pieza más importante de la impresora, se encarga de derretir el material que se coloca capa a capa en la cama.
    • Motores de paso: estos motores son los encargados de mover los distintos ejes de la impresora para con ello dar forma a los objetos que se imprimen.
    • Pantalla LCD
    • Rueda de menú
  2. Vista del extrusor
  3. Vista del menú
    El menú está compuesto por 9 programas, para acceder a cada uno de ellos deberemos girar la rueda que se encuentra al lado de la pantalla LCD, y presionar sobre ella para acceder a la opción deseada. A continuación se plantean las opciones que permite:

    Tarjeta SD: esta opción nos permite acceder a los archivos que se encuentran cargados en la tarjeta. Tras seleccionarlo y presionar sobre la rueda nos dará acceso a los mismos. De la misma forma, girando la rueda a un lado u otro podremos avanzar sobre ellos y seleccionar el que queremos imprimir.
    Carga del filamento: esta opción nos irá guiando en el proceso de carga del filamento en el extrusor de la máquina. Siempre comienza calentando el extrusor.
    Descarga del filamento: esta opción nos irá guiando en el proceso de descarga del filamento en el extrusor de la máquina. Siempre comienza calentando el extrusor.
    Nivelado de la plataforma: este proceso se realiza de forma guiada. Comienza calentando el extrusor para, a posteriori, ir colocándose en puntos clave y solicitar que regulemos la plataforma hasta que se encienda un led, que servirá de guía para indicar que ese punto se encuentra nivelado.
    Home: esta opción coloca el extrusor en el punto inicial de salida.
    Ajustes: permite acceder a las opciones de autonivelado, ventilador, pantalla de serie, ajuste del offset, idioma, reseteo, estadísticas y la versión de firmware instalada.
    Mover ejes: esta opción nos permite mover los distintos ejes de la máquina.
    Motores: permite bloquear los motores de los ejes de la máquina.
    Temperatura: con esta opción puedes observar la temperatura del extrusor y modificarla.

Características generales de la impresora

En este apartado exponemos las características técnicas que indica el fabricante de la máquina:

Velocidad de impresión

  • Máxima: hasta 200 mm/s (sujeto a materiales, perfiles y software empleado)

Condiciones de trabajo

  • Temperatura de funcionamiento óptimo entre 15 ºC y 25 ºC.

Resolución

  • Máxima: 50 micras

Dimensiones

  • Producto sin bobina PLA:
  • (x)450 x (y)516 x (z)571 mm (estático)
  • (x)450 x (y)605 x (z)571 mm (dinámico)
  • Producto con bobina PLA:
  • (x)450 x (y)516 x (z)661 mm (estático)
  • (x)450 x (y)605 x (z)661 mm (dinámico)
  • Caja exterior: (x)627 x (y)465 x (z)207 mm
  • Área de impresión: (x)210 x (y)297 x (z)220 mm

Materiales

  • Filamentos 1,75 mm de diámetro: PLA, madera, bronce, cobre y Filaflex

Mecánica del extrusor

  • Extrusor de diseño propio con Double Drive Gear, ajuste de tracción y guiado de filamento para mantener compatibilidad con filamentos flexibles/blandos
  • Hot-End diseñado para un fácil mantenimiento
  • Boquilla de 0,4 mm para filamento de 1,75 mm
  • Disipador de aletas con ventilador axial controlado por Firmware
  • Tobera de refrigeración impresa

Mecánica general

  • Marco y base de aluminio pintado al polvo
  • Barras de cromo duro en el eje Y
  • Rodamiento lineal de recirculación de bolas para el eje Y
  • Sistema de guía más patín plano de recirculación de bolas en el eje X y Z
  • Cadenas portacables
  • Acoplamientos flexibles para las varillas roscadas del eje Z
  • Base fría de cristal tamaño A4 (305 x 220 mm)
  • Sistema de nivelado de base de impresión con 3 puntos y amortiguación
  • Sistema de cambio rápido de base de impresión

Electrónica

  • Controladora Zum Mega 3D de diseño propio
  • Sensor inductivo de diseño propio para asistencia a la nivelación de la cama
  • Pantalla de LCD gráfico con encoder rotativo con pulsador para la navegación
  • Fuente de alimentación 12V 100W
  • Termistor 100k en el Hot-End
  • Cartucho calefactor 12V 40W

Software

  • Firmware derivado de Marlin
  • Nuevas funcionalidades: auto nivelación, nivelación manual mediante sensor inductivo diseñado exclusivamente para impresión 3D, modo de inactividad
  • Interfaz de usuario mejorada
  • Entorno recomendado: Cura Software, slic3r, Repetier, Kisslicer
  • Archivos admitidos: .gcode
  • Sistemas operativos compatibles: Windows XP y superiores, Linux y Mac OS X y superiores

Comunicaciones

  • Lector de tarjetas SD
  • Puerto micro USB tipo B

Puesta en marcha de la impresora

En este apartado les proponemos visualizar dos vídeos del fabricante. El primero sobre cuestiones a tener en cuenta antes de realizar la primera impresión y otro sobre las acciones a realizar en la primera impresión.

  • Vídeo sobre los primeros pasos:

https://www.youtube.com/watch?v=R17XL9AaTdM

BQ España. (2016)

  • Vídeo sobre la primera impresión:

https://www.youtube.com/watch?v=jo0A4WLzoc4

BQ España. (2016)

En el primer vídeo se hace mención al offset, esto es la distancia existente entre el cabezal, punta del nozzle, y la base cuando el sensor de nivelación detecta la misma.

¿Por qué necesito calcular el offset?

El correcto calibrado del offset evitará errores tales como:

  • Que la pieza se despegue total o parcialmente de la base.
  • Que las primeras capas queden aplastadas, el PLA se desparrame o incluso el nozzle presione tanto la base que salga poco plástico.

Si por algún motivo se moviera la máquina de su emplazamiento original, se deberá tener en cuenta que al colocarla en la nueva posición, la misma debe estar bien equilibrada sin balanceos, para ello utilizaremos el tornillo delantero.

Otra de las cuestiones importantes, es la calibración de la cama. Para la misma, es aconsejable bajar la cama al máximo en todos sus puntos, para a posteriori seguir el proceso de calibración que se encuentra en la programación de la cama. De esta manera su equilibrado será el óptimo.

Filamentos: tipos, características y conservación.

Los filamentos recomendados por el fabricante para el uso de la impresora son: el PLA, el Filaflex y los PLA de Madera, Cobre y Bronce. El diámetro de este debe ser de 1,75 mm. Se permite el uso de PLA de cualquier fabricante.

A continuación enunciamos las características y conservación de los materiales:

PLA

El PLA es un producto biodegradable que se obtiene de azúcares derivados de vegetales. Se puede limar, cortar, pegar y pintar. Sus principales características son:

  • Temperatura de trabajo: 200ºC-220ºC.
  • Temperatura de inicio de deterioro: 54ºC.
  • Rápido endurecimiento.
  • Mínima tensión térmica.
  • Mínima deformación.
  • No necesita una base calefactada.
  • Resistente a la acetona.
  • No apto para uso alimentario.

Para su conservación se recomienda guardar en lugar seco y hermético.

PLA Madera

El filamento de madera está compuesto en un 10-20% por fibras de madera y aditivos y un 90-80% de PLA, por lo que su comportamiento es similar al filamento de PLA

Filaflex

El filaflex es un TPE (termoplástico elastómero) con base de poliuretano y ciertos aditivos para hacerlo imprimible en tu impresora 3d. Sus principales características son:

  • Temperatura de impresión: 210-230 °C.
  • Velocidad de impresión: 20-110 mm/s.
  • Gran adherencia con la mesa de impresión.
  • No necesita mesa caliente.
  • No necesita laca o cualquier otro adhesivo en spray.
  • Sin olor.
  • Resistente a disolventes, acetona o combustible.
  • No apto para el uso alimentario.
  • No usar por encima de 240º, ya que puede producir humos irritantes para los ojos, la nariz y la garganta.

Para su conservación se recomienda guardar en lugar seco y hermético.

PLA de Bronce o Cobre

Este PLA especial de bronce o cobre son mezclas termoplásticas biodegradables de PLA (PolyLactic Acid) y rellenas de polvo de bronce o cobre, con aditivos.

  • Temperatura de impresión: 170º-230 °C.
  • Velocidad de impresión: 40-60 mm/s.
  • No necesita una base calefactada.
  • Sin olor en las temperaturas indicadas.
  • Resistente a disolventes, acetona o combustible.
  • Tóxico para organismos acuáticos.

Para su conservación se recomienda guardar en lugar seco y hermético.

Para saber más sobre los filamentos expuestos puede consultar las fichas técnicas y químicas que tienen colocadas el fabricante en su web.

https://store.bq.com/es/mundo-3d/filamentos/

Posibles problemas en la impresión

Entre los problemas de impresión más habituales encontramos:

  • No imprime: suele pasar o por no cargar bien el filamento, por la poca extrusión del material al no tener bien calculado el offset o por encontrarse obstruido el hot-end.
  • No se pega el material a la cama: la mejor forma de solucionar este problema es colocar laca en la cama de la impresora.
  • Pelos (Stringing): consiste en hilos horizontales que se generan cuando imprimimos dos piezas a la vez moviéndose de una pieza a otra capa por capa o cuando el objeto que queremos imprimir tiene capas en las que se divide en partes distanciadas e independientes. La solución principal para resolver la aparición del encordado es la retracción. Cuando la retracción está activada, permitimos a la impresora absorber algo de filamento antes de mover el cabezal de impresión a través de un espacio abierto donde no tenga que imprimir. Retrayendo el filamento ayudamos a prevenir el goteo de plástico a través de la boquilla durante el desplazamiento en vacío del cabezal.
  • Sobrecalentamiento: debido al exceso de temperatura del extrusor
  • Desplazamiento de capa: suele ocurrir al despegarse la pieza de la base. Se soluciona con laca en la cama.
  • Detiene la extrusión en el medio de una impresión: suele ocurrir al gastarse el material o al trabarse el material en la bobina al no encontrarse bien embobinado.
  • Voladizos (Overhang): Las impresoras 3D de deposición no pueden depositar material en el aire. Esta limitación genera piezas con aspectos indeseados y marañas de hilos. Afortunadamente podemos solucionar este problema mediante cambios en el diseño, en la colocación en la cama del objeto en el software de laminación o por opciones que nos ofrecen el software de laminación, normalmente denominado “colocación de soportes”.

Para saber más te recomendamos la lectura de los siguientes artículos:

Mantenimiento de la máquina y herramientas mínimas.

En este apartado les proponemos visualizar dos vídeos del fabricante. El primero muestra los mantenimientos mínimos a realizar a la impresora para su correcto uso y conservación. El segundo muestra cómo se realiza el cambio del tubo PTFE (tubo por donde pasa el filamento y que se encuentra dentro del hot-end del extrusor)

  • Vídeo sobre mantenimiento:

https://youtu.be/cs0PQA6cSao?list=PL_AaWt7YXUYi7mCYMV9FCscg-9CGhLLCi

BQ España. (2016)

  • Vídeo sobre la sustitución del tubo PTFE:

https://www.youtube.com/watch?v=_ur_0Hx3-YU

BQ España. (2016)

Herramientas

En este apartado se especifican algunos materiales recomendados para trabajar con impresoras 3D.

Laca: como adherente de la cama.

  1. Aceite: lubricación de los ejes.
  2. Cepillo metálico: limpieza del extrusor o piezas impresas.
  3. Calímetro o calibre: para la medición de piezas.
  4. Alicate cortador: cortar filamento o soportes para los volados de las piezas impresas.
  5. Aguja acupuntura: limpieza del hot-end del extrusor.
  6. Limas: planas y redondas para quitar los extras de agujeros o salientes de las piezas impresas.
  7. Llaves Allen: ajuste de la maquinaria.
  8. Alicates: quitar soportes de volados.
  9. Espátulas: separar la pieza de la cama.

Bibliografía.

Textos:

Imágenes:

  • MONZÓN GONZÁLEZ, J. A.(2016) Modelos impresos y proceso de impresión.
  • BQ España.(2016). Manual Impresora Hephestos 2: Esquema de la impresora.
  • BQ España.(2016). Manual Impresora Hephestos 2: Extrusor.

Anexos:

I. Software de diseño

II. Software de laminación

III. Repositorio de archivos

IV. Ejemplos de actividades

V. Cura 2.3.1

Cura es un programa de laminación e impresión compatible con Windows, MAC y Linux. Su instalación es similar en los distintos sistemas operativos.

Si deseamos instalarlo deberemos seguir los siguientes pasos:

  1. Ir a la consola de servicio del CAU_CE y solicitar el Software Cura 2.3.1
  2. Tras la instalación pasaremos a la configuración del programa. Lo primero que haremos será ir a preferencias y modificar el idioma a español.
  3. En esta misma pantalla, accedemos a la opción de impresoras, seleccionamos otras y se desplegará una nueva ventana. En ella elegimos la impresora BQ Hephestos 2.

Para finalizar podemos importar los archivos de los perfiles de impresión de la máquina. Estos archivos preconfiguran las características de las distintas calidades de impresión según el material que se utilice. Para ello, sin salirnos de la ventana de preferencias, picamos en la opción perfiles y en “importar”.

Los perfiles los podemos obtener en: https://github.com/bq/printing-profiles/archive/BQ_Hephestos_2.zip

Del archivo, tras descomprimirlo, instalamos los perfiles del 15.04.