Diseño desde el territorio mediante la impresión de arcillas recolectadas - Paulina Zúñiga Paredes

Título	Diseño desde el territorio mediante la impresión de arcillas recolectadas - Paulina Zúñiga Paredes
Tipo de Proyecto	Proyecto Propio, Proyecto de Titulación
Palabras Clave	Proyectos Interacción Territorial 2023
Período	2023-2023
Asignatura	Proyecto de Título: Interacción Territorial 2° semestre 2023
Del Curso	Proyecto de Título: Interacción Territorial 2° semestre 2023
Carreras	Diseño
Alumno(s)	Paulina Zúñiga
Profesor	Daniela Salgado, Leonardo Aravena

REGISTRO 2DO SEMESTRE

Introducción

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La impresión cerámica en 3D es una técnica que permite crear objetos tridimensionales utilizando cerámica como material de impresión.

En este contexto, el objetivo de este estudio es explorar la impresión cerámica en 3D desde una perspectiva práctica, construyendo un artefacto funcional a partir de un extrusor cerámico y una estructura optima para realizar trazos cerámicos. Para ello, se ha trabajado con arcilla recolectada naturalmente, lo que permitió conocer las propiedades de la cerámica como material de impresión.

En este proceso, se describe la creación de un extrusor de arcilla diseñado para modelar y producir formas a partir de este material. Se inicia con el diseño y modelado de las piezas en 3D para luego avanzar en la implementación del mecanismo de extrusión, integrando circuitos y Arduino para automatizar y controlar la operación del extrusor. Posteriormente, se llevan a cabo pruebas de pasta arcillosa para determinar las propiedades óptimas y se procede a realizar pruebas de impresión para evaluar la funcionalidad y precisión del artefacto.

Preparación y pruebas de mezclas arcillosas

¿En que consiste?

La estructura química de la arcilla se compone principalmente de silicatos de aluminio hidratados. Estos silicatos son compuestos químicos formados por átomos de silicio (Si), oxígeno (O) y aluminio (Al). La fórmula química general de la arcilla se puede expresar como Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O. Esto significa que en cada unidad de arcilla, hay dos unidades de sílice (SiO2) y una unidad de alúmina (Al2O3), acompañadas por dos moléculas de agua (H2O) de hidratación. Estos componentes se organizan en una estructura laminar, donde capas de silicatos tetraédricos y capas de alúmina octaédrica están intercaladas.

Color y Pureza de la Arcilla La arcilla puede presentar una variedad de colores según las impurezas que contenga. Cuando es pura, su coloración es blanca. Sin embargo, las impurezas en forma de minerales y elementos presentes en la roca madre pueden dar lugar a colores como el rojo, amarillo o marrón en las arcillas.

Propiedades Físicas y Químicas Desde un punto de vista físico, la arcilla se considera un coloide. Esto significa que sus partículas son extremadamente pequeñas y tienen una superficie lisa. El diámetro de las partículas de arcilla es muy pequeño, inferior a 0,002 mm, lo que contribuye a sus propiedades únicas. Químicamente, la arcilla es un silicato hidratado de alúmina, lo que significa que contiene aluminio, silicio y moléculas de agua en su estructura. Su fórmula química es Al2O3 · 2SiO2 · H2O.

Plasticidad y Usos Una propiedad distintiva de la arcilla es su plasticidad. Cuando se mezcla con agua, puede adquirir una consistencia maleable que permite darle forma fácilmente. Esta propiedad es esencial para su uso en la producción de cerámica, ya que se puede modelar y moldear antes de su cocción.

Cocción y Endurecimiento Al calentar la arcilla por encima de 800°C, experimenta un proceso de cocción que cambia su estructura química y física. El resultado es una mayor dureza y solidez.

Estructura Física de la Arcilla Desde el punto de vista físico, la arcilla es un material coloidal, lo que significa que sus partículas son muy pequeñas, con diámetros inferiores a 0,002 mm. Estas partículas microscópicas tienen una superficie lisa y cargas eléctricas superficiales que les confieren propiedades únicas, como la capacidad de absorber agua y otras sustancias. Debido a su estructura laminar y a las cargas eléctricas, las partículas de arcilla tienden a agruparse y formar agregados, lo que influye en su plasticidad y comportamiento en mezclas.

Formación de una Mezcla Arcillosa Natural La formación de una mezcla arcillosa natural implica la descomposición de minerales y rocas que contienen silicatos de aluminio, como el feldespato. El proceso puede durar decenas de miles de años. Inicia con la intemperización física y química de las rocas por agentes como el agua, el viento y los cambios de temperatura. Estos agentes descomponen los minerales y liberan los componentes químicos, como el aluminio y el silicio.

El aluminio y el silicio liberados reaccionan con el agua y otros compuestos presentes en el suelo, formando los silicatos de aluminio hidratados, que son la base de la arcilla. A medida que estos minerales se forman, se acumulan en la capa superior del suelo, dando lugar a una acumulación gradual de partículas de arcilla.

La mezcla arcillosa resultante es heterogénea, ya que contiene partículas de diferentes tamaños y composiciones. La plasticidad y características de la mezcla dependen de la proporción de los componentes y de las impurezas presentes en la arcilla.

Recolección del material

Primer acercamiento a la recolección de arcillas salvajes en talleres impartidos por Joaquín Quimera

Limpieza de la arcilla

Decantación

La decantación es un proceso sencillo pero efectivo para separar mezclas heterogéneas, como la que se forma con arcilla y agua. Primero, se prepara una muestra mezclando arcilla y agua en un recipiente, creando una especie de líquido espeso.

Después, se agita esta mezcla para asegurar que la arcilla se distribuya de manera uniforme en el agua, formando una suspensión turbia. Luego, se deja el recipiente en reposo, debido a que la arcilla es más densa que el agua y sus partículas son más grandes, la arcilla tiende a hundirse lentamente hacia el fondo del recipiente, separándose del agua que permanece en la parte superior.

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Al observar la separación, se nota que la parte superior del líquido, llamada sobrenadante, tiene menos arcilla y otras partículas pequeñas. En cambio, en el fondo del recipiente se encuentra un sedimento compuesto principalmente por arcilla. Para entender mejor este proceso, se puede medir el tiempo que tarda la arcilla en asentarse completamente en el fondo del recipiente. Esta medición nos da información sobre la rapidez con que la arcilla se separa y la estabilidad de la suspensión.

Al dejar la mezcla en reposo (el proceso de decantación), las partículas de arcilla comienzan a asentarse debido a la fuerza de la gravedad y su mayor densidad. Eventualmente, las partículas de arcilla se acumulan en el fondo del recipiente, separándose del agua que permanece en la parte superior.

Este proceso no altera la composición química de la arcilla ni del agua, simplemente aprovecha las diferencias físicas, como la densidad, para lograr la separación. La decantación es un paso previo común en muchos procesos más complejos que implican la purificación o manipulación de materiales basados en principios químicos y físicos.

Tabla de pruebas

Elaboración de arcillas de baja temperatura TERRACOTA

Para extrusión

Pruebas de pastas arcillosas naturales

x	Materiales	Pasta N°1	Pasta N°2	Pasta N°3
Componentes plasticos 70%	Arcilla naranja, Arcilla Marron, Arcilla gris, Caolín	70% AN	50% AN + 10%C	60% AN + 10%C
Fundentes	Carbonato calcio, Dolomita, Talco	30% T	40% T	30% T
Refractarios	Cuarzo, Chamota, Arena río	10% CH	x	x

Pruebas

Resultados

Observaciones

Construcción del prototipo de extrusor

1. Diseño en 3D y Mecanismo de Extrusión

1.1 Diseño de las piezas en 3D

La primera etapa consistió en crear un diseño detallado de todas las piezas necesarias para el extrusor utilizando software de modelado 3D. Esto piezas ensambladas, el motor, la carcasa y otros componentes. Se prestaron especial atención a las tolerancias y dimensiones para garantizar un ensamblaje preciso.

1.2 Diseño del mecanismo de extrusión

El mecanismo de extrusión se basó en un tornillo sin fin, diseñado para empujar la arcilla a través de la carcasa del extrusor. Se aseguró que el diseño permitiera un flujo uniforme y controlado de la arcilla durante la operación.

Piezas modeladas 3D

Primera versión

Configuración de impresión:

Detalles del Mecanismo de Extrusión El corazón del extrusor reside en un ingenioso mecanismo de extrusión, cuya piedra angular es un tornillo sin fin. Este tornillo, también conocido como husillo helicoidal, presenta una forma helicoidal continua que se extiende a lo largo de su eje. Su función principal es empujar la arcilla de manera constante y controlada a través de la carcasa del extrusor.

Garantizando un Flujo Uniforme El objetivo clave era asegurar que el diseño del tornillo sin fin permitiera un flujo de arcilla uniforme y constante durante toda la operación. Esto implicó considerar factores como la fricción, la viscosidad de la arcilla y la eficiencia de la extrusión. Se realizaron simulaciones para validar la eficacia del diseño antes de proceder a su fabricación.

Control de Velocidad y Extrusión El tornillo sin fin fue integrado con el motor y el sistema de control, permitiendo que la velocidad de rotación se ajustara de manera precisa. Esto brindaba la flexibilidad de controlar la velocidad de extrusión según las necesidades específicas de cada impresión. El ajuste fino de la velocidad se lograba a través del controlador programado en Arduino, que interpretaba la señal del potenciómetro y ajustaba la velocidad del motor en consecuencia.

Integración con la Carcasa del Extrusor La carcasa del extrusor fue diseñada considerando la función del mecanismo de extrusión. Fue diseñada para proporcionar el soporte estructural necesario para albergar y alinear correctamente el tornillo sin fin, permitiendo así un funcionamiento óptimo.

2. Integración con Circuitos y Arduino

La integración de circuitos y la utilización de la plataforma Arduino desempeñaron un papel fundamental en la automatización y control del extrusor. Arduino, una plataforma de hardware y software de código abierto, permitió programar un controlador que regulaba con precisión la velocidad del motor conectado al tornillo sin fin.

2.2 Programación de arduino

Función Crucial de Arduino Arduino, un microcontrolador versátil y programable, actuó como el cerebro central de la operación. Su papel central fue interpretar y ejecutar algoritmos que controlaban la velocidad del motor. Esto fue vital para la extrusión controlada de arcilla y, en última instancia, para la impresión precisa.

Utilización de un Potenciómetro como Interfaz Para otorgar al operador el poder de ajustar la velocidad de extrusión según las necesidades, se incorporó un potenciómetro. Este componente permitió al operador modificar la resistencia eléctrica, y por ende, la velocidad del motor. Funcionó como una interfaz intuitiva y efectiva para la interacción humana con el sistema.

Algoritmos de Control en Arduino Se implementaron algoritmos sofisticados en el Arduino para traducir la señal proveniente del potenciómetro en ajustes de velocidad del motor. Cuando el operador giraba el potenciómetro, Arduino interpretaba la variación en la resistencia y generaba comandos para aumentar o disminuir la velocidad del motor. Esta retroalimentación continua garantizaba una respuesta dinámica y ajustes en tiempo real, brindando una manipulación precisa y flexible en el proceso de extrusión.

Flexibilidad y Control en la Extrusión Esta configuración no solo proporcionaba flexibilidad en la operación del extrusor, sino también una forma de controlar la velocidad del material arcilloso mientras era extruido. El operador podía modificar la velocidad en función de la complejidad del diseño o la necesidad de una extrusión más precisa. Así, la integración de Arduino y el potenciómetro ofrecían la capacidad de adaptarse dinámicamente a diferentes condiciones y requisitos del proceso de impresión.

Beneficios de la Integración Electrónica La integración de Arduino y el uso del potenciómetro no solo ofrecían flexibilidad y control, sino que también permitían una operación más eficiente y optimizada del extrusor. La capacidad de ajustar la velocidad de extrusión en tiempo real facilitaba la experimentación y garantizaba la obtención de resultados impresos consistentes y de alta calidad. Esta integración, por ende, se convirtió en un componente esencial para alcanzar los objetivos de precisión y control en la extrusión de la arcilla.

Electrónica

3. Pruebas de Pasta Arcillosa

3.1 Preparación de muestras de arcilla

Se llevaron a cabo pruebas con diferentes proporciones de agua y arcilla para determinar el porcentaje de humedad óptimo para la pasta arcillosa. Se analizó la fluidez de la mezcla y cómo esta afectaba la capacidad de ser extruida e impresa correctamente.

3.2 Extrusión y observación

Se registraron los resultados de las pruebas, incluyendo el comportamiento de la pasta con diferentes proporciones de agua y arcilla, para determinar la combinación más adecuada que permitiera una extrusión suave y precisa.

4. Análisis de Componentes y Cantidades

4.1 Estudio de propiedades de la arcilla

Se realizaron investigaciones sobre las propiedades de la arcilla y sus componentes, incluyendo minerales, agua y otros materiales presentes. Se estudiaron las cantidades óptimas de cada componente para lograr una mezcla con la textura adecuada y una viscosidad que facilitara la extrusión.

4.2 Determinación de proporciones optimas

El análisis se centró en cómo la proporción de cada componente afecta la fluidez y la calidad de la impresión. Se ajustaron las cantidades según los resultados para optimizar la pasta arcillosa.

Pruebas con pasta

Porcentaje de humedad

Muestras

Según Keep los porcentajes óptimos de una pasta cerámica para extrusión contiene un 24% de humedad para que sea adecuada para el proceso. La humedad en la pasta cerámica es fundamental para lograr la consistencia y maleabilidad adecuadas que permitan su extrusión de manera efectiva y sin dañar la maquinaria utilizada para este proceso.

La humedad en la pasta cerámica es importante por varias razones:

• Maleabilidad: Una cantidad adecuada de humedad permite que la pasta cerámica tenga la maleabilidad necesaria para pasar a través de la máquina de extrusión y adquirir la forma deseada.

• Facilita la extrusión: La humedad ayuda a que la pasta cerámica fluya de manera más suave y uniforme a través de la boquilla de extrusión, facilitando la formación de las piezas.

• Prevención de agrietamientos: La humedad ayuda a prevenir agrietamientos o roturas durante el proceso de extrusión al proporcionar una consistencia homogénea y flexible en la pasta cerámica.

Es importante ajustar cuidadosamente la cantidad de humedad en la pasta cerámica para garantizar que tenga la consistencia óptima para la extrusión. Demasiada humedad puede hacer que la pasta sea demasiado blanda y difícil de manipular, mientras que muy poca humedad puede hacer que la pasta sea quebradiza y se agriete durante la extrusión.

Por lo tanto, el 24% de humedad que menciona Jonathan Keep es una proporción específica que ha encontrado adecuada para su proceso de extrusión de pasta cerámica.

Experimento

Es fundamental encontrar la proporción óptima de humedad en la pasta cerámica para lograr la consistencia adecuada para la extrusión. Para determinar la cantidad de humedad óptima, se llevó a cabo un experimento que implicó el análisis de muestras de la pasta en diferentes estados de hidratación.

En primer lugar, se obtuvo una muestra de la pasta cerámica roja en su estado original, tal como se adquirió comercialmente. Luego, se procedió a hidratar una segunda muestra de la misma pasta, asegurándose de añadir una cantidad precisa de agua para aumentar su nivel de hidratación. Estas dos muestras representaban extremos en términos de contenido de humedad: la muestra original y la muestra hidratada.

A continuación, se registró el peso inicial de ambas muestras para tener un punto de referencia. Luego, se dejaron secar en condiciones controladas hasta alcanzar un estado de consistencia seca. Durante el proceso de secado, se monitoreó regularmente el peso de las muestras para registrar la cantidad de agua que perdían a medida que se evaporaba durante el proceso de secado.

Una vez que las muestras alcanzaron el estado deseado de consistencia seca, se registró su peso final. Con estos datos, se calculó el porcentaje de humedad que contenía cada muestra inicialmente y el porcentaje de humedad al llegar al estado de consistencia seca. Comparando estos porcentajes, fue posible determinar cuál de las muestras se acercaba más al objetivo del 24% de humedad.

Este experimento permitió identificar la cantidad precisa de humedad necesaria para lograr la consistencia óptima para la extrusión de la pasta cerámica roja. Los resultados obtenidos proporcionaron información valiosa para ajustar y controlar el proceso de hidratación de la pasta cerámica en futuras producciones, asegurando así un resultado consistente y satisfactorio en la fabricación de piezas cerámicas.

Tablas de pruebas

Se llevaron a cabo pruebas específicas que arrojaron datos esenciales para el ajuste preciso del contenido de humedad. Inicialmente, se obtuvieron dos muestras representativas de los extremos de hidratación de la pasta cerámica: una muestra en su estado original y otra muestra con un nivel de hidratación superior.

Ambas muestras se pesaron en su estado húmedo, registrando un peso de 33,6 g para ambas. Posteriormente, se procedió a dejar que las muestras se secaran en condiciones controladas hasta alcanzar una consistencia seca. Durante este proceso, la muestra original perdió agua y su peso se redujo a 29,91 g, lo que indicó un porcentaje de humedad del 12,34%. En contraste, la muestra hidratada disminuyó su peso a 26,78 g al alcanzar el estado de consistencia seca, reflejando un porcentaje de humedad del 25,47%.

Estos datos revelan la importancia crítica del contenido de humedad en la pasta cerámica y su relación directa con la capacidad de extrusión. La muestra hidratada, con un porcentaje de humedad cercano al objetivo buscado del 24%, demostró ser la más adecuada para el proceso de extrusión. La consistencia adecuada lograda con este nivel de humedad facilita la manipulación de la pasta cerámica durante la extrusión, permitiendo la formación de formas deseadas con mayor eficiencia y precisión.

5. Pruebas de Impresión y Evaluación de Resultados

Configuración de impresión

Una vez que el extrusor estuvo operativo y la pasta arcillosa preparada, se realizaron pruebas de impresión. Se extruyó la arcilla a través del mecanismo y se evaluaron aspectos como la precisión del dibujo, la adherencia del material y la consistencia en la forma impresa.

5.2 Evaluación de calidad de impresión

Se realizaron ajustes según los resultados de las pruebas, tanto en las proporciones de la mezcla como en la configuración del extrusor, para mejorar la calidad de la impresión y asegurar un rendimiento óptimo.

Primera prueba de extrusión

Luego de la fase de experimentación con la determinación del porcentaje óptimo de humedad en la pasta cerámica roja y la construcción del extrusor, se procedió a cargar la mezcla arcillosa con un 25,47% de humedad en el dispositivo. Este paso fue importante para evaluar la funcionalidad y eficiencia del extrusor en conjunto con su correspondiente caja electrónica.

Una vez que el extrusor estuvo cargado con la pasta cerámica en la proporción deseada, se llevaron a cabo pruebas de extrusión variando las velocidades mediante el potenciómetro proporcionado por la caja electrónica. Durante estas pruebas, se manipuló el potenciómetro manualmente para ajustar la velocidad del motor, lo que permitió observar cómo cada velocidad afectaba la calidad de la extrusión.

De manera notable, se descubrió que la velocidad más lenta proporcionada por el motor fue la que ofrecía una extrusión más precisa y controlada. Esta observación es esencial, ya que destaca la importancia de la precisión en el proceso de extrusión de la pasta cerámica. Una velocidad más baja posiblemente permitió un flujo de material más uniforme y controlado, lo que resultó en una extrusión que cumplía con las expectativas de calidad para el experimento.

Esta conclusión por la experimentación con las velocidades del extrusor proporciona valiosa información, permite establecer una relación directa entre la velocidad de extrusión y la calidad del resultado final, enfatizando la necesidad de sintonizar cuidadosamente la velocidad para obtener la mejor precisión y control durante el proceso de extrusión.

Segunda prueba de extrusión

En esta fase, se comenzó creando un archivo digital específico que representaba diferentes patrones a dibujar sobre una base. El objetivo era evaluar cómo la combinación de la tecnología CNC y el extrusor podía producir resultados precisos y detallados. Durante la extrusión guiada por el archivo, se observaron diferentes patrones que fueron formados correctamente.

Posteriormente, se intentó llevar la experimentación un paso más allá, intentando crear un volumen tridimensional utilizando el extrusor montado en la CNC. Para lograrlo, se editó un código CAM para generar un cilindro, definiendo capas de 5 mm de espesor que permitirían la acumulación controlada de material para formar la estructura tridimensional deseada.

Sin embargo, durante este proceso, se identificó un error en el código CAM que afectó la formación continua de la figura. El código generado presentaba interrupciones en cada capa, lo que resultó en una estructura que no seguía la forma precisa de un cilindro. Este hallazgo resalta la importancia de una programación precisa y cuidadosa en el contexto de la fabricación asistida por computadora.

Este desafío proporcionó valiosas lecciones sobre la necesidad de perfeccionar y revisar minuciosamente los códigos de instrucciones para garantizar una extrusión continua y precisa. Además, esta experiencia demostró la complejidad inherente a la generación de estructuras tridimensionales con el extrusor montado en la CNC, lo que abrirá nuevas oportunidades para investigar y mejorar la integración de estas tecnologías en futuros proyectos.