Aplicación de la impresión 3D en la Ingeniería Civil

Abstract

En el presente trabajo de fin de grado se ha realizado un análisis sobre las posibles aplicaciones de la impresión 3D en la Ingeniería Civil. La impresión 3D se trata de una tecnología actual aún en desarrollo, teniendo como uno de sus objetivos la reducción de costes en la creación continua de nuevos prototipos en la industria, entre otros. Para la realización de este proyecto se ha utilizado información y softwares de uso totalmente gratuito. Los datos de partida necesarios para la creación de los archivos STL han sido descargados a través de organismos públicos o desde páginas web comunitarias enfocadas a la impresión 3D. En el caso de los modelos digitales de la superficie terrestres se han empleado ficheros de partida procedentes de organismos públicos como el Instituto Geográfico Nacional, descargados de manera digital a través de su centro de descargas. En cuanto a la tecnología LiDAR, el procesamiento de datos para la obtención de los archivos STL, se ha realizado a través de QGIS mediante el complemento LAStools. El resto de los casos han sido derivados de AutoCAD Civil 3D y su herramienta de exportación. Obtenidos los archivos STL, estos se laminan a través de un programa especializado en esta función como es PrusaSlicer. En este programa se realizarán una serie de ajustes personalizados al tipo de modelo en cuestión para obtener un archivo GCODE que es el que contiene los comandos y órdenes para la impresora. Se han testeado unos cuatro objetos relacionados con la temática constructiva de puentes y otros tantos relacionados con modelos digitales de la superficie terrestre. La gran mayoría se trata de impresiones monofilamento, excepto algunos casos concretos que se tratan de impresiones multifilamento. Realizar impresiones multifilamento conlleva un alto coste de tiempo y sobre todo de material, debido al desperdicio por limpieza de boquilla que produce la impresora al cambiar de un filamento a otro. La impresora utilizada ha sido una Prusa MK3s de última generación con la unidad multimaterial MMU2S. Uno de los objetivos del proyecto ha sido testear la función multimaterial de la impresora en diferentes objetos para evaluar la idoneidad o no de la misma para la Ingeniería Civil. Al tratarse el multimaterial de una tecnología relativamente nueva, se han presentado numerosos problemas entre los que han estado los cambios automáticos de filamentos o la correcta introducción/extracción de filamento al extrusor. Estos problemas han sido solucionados a través de un correcto ajuste de temperatura de fusión del PLA y de los elementos mecánicos tanto del extrusor como de la unidad MMU2S. Los resultados en cuanto a impresiones monocolor se refieren, han sido totalmente satisfactorios en contraposición de las impresiones multimaterial, las cuales han causado numerosos fallos y problemas en la impresión hasta que se consiguió un ajuste óptimo de la impresora, consiguiéndose unos acabados sensacionales. Algunas piezas requieren de un postprocesado ya sea debido al ensamblaje de piezas o a la corrección de errores de impresión. En vista a los resultados se puede concluir que su aplicación es interesante y recomendada especialmente en la maquetación, observándose otras aplicaciones interesantes como útil de aprendizaje y formación de alumnos, en asignaturas de cálculo y diseño de estructuras.

In this end-of-degree project, an analysis has been carried out on the possible applications of 3D printing in Civil Engineering. 3D printing is a current technology still under development, one of its objectives being to reduce costs in the continuous creation of new prototypes in the industry, among others. For the realization of this project, information and software that are completely free of charge have been used. The starting data necessary for the creation of the STL files have been downloaded through public organizations or from community websites focused on 3D printing. In the case of digital models of the earth's surface, source files from public bodies such as the National Geographic Institute have been used, downloaded digitally through its download center. Regarding LiDAR technology, the data processing to obtain the STL files is done through QGIS using the LAStools plugin. The rest of the cases have been derived from Autocad Civil 3D and its export tool. Once the STL files are obtained, they are sliced through a program specialized in this function, such as PrusaSlicer. In this program, a series of personalized adjustments will be made to the type of model in question to obtain a GCODE file, which is the one that contains the commands and orders for the printer. Some four objects related to the constructive theme of bridges have been tested, as well as many others related to digital models of the earth's surface. The vast majority are monofilament prints, except for some specific cases that are multifilament prints. Making multifilament prints entails a high cost of time and, above all, of material, due to the waste caused by cleaning the nozzle produced by the printer when changing from one filament to another. The printer used was a latest generation Prusa MK3s with the MMU2S multi-material unit. One of the objectives of the project has been to test the multi-material function of the printer on different objects to assess whether or not it is suitable for Civil Engineering. As the multimaterial is a relatively new technology, numerous problems have arisen, among which have been the automatic changes of filaments or the correct introduction/extraction of the filament from the extruder. Solving through a correct adjustment of the melting temperature of the PLA and the mechanical elements of both the extruder and the MMU2S unit. The results in terms of single-color prints have been totally satisfactory in contrast to multi-material prints, which have caused numerous failures and problems in printing until an optimal adjustment of the printer was achieved, achieving sensational finishes. Some parts require post-processing either due to part assembly or printing error correction. In view of the results, it can be concluded that its application is interesting and recommended, especially in layout, observing other interesting applications as a tool for learning and training students, in calculation and structural design subjects.