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Sistema mecánico para la traducción del movimiento cinético a huella visible


TítuloProyecto de Titulo 1 - Li Ann Montenegro Lee
Tipo de ProyectoProyecto de Titulación
Período2025-2026
AsignaturaInteracción Material Territorial 2° semestre 2025
Del CursoInteracción Material Territorial 2° semestre 2025
CarrerasDiseño
Alumno(s)Li Ann Montenegro
ProfesorLeonardo Aravena

Sistema mecánico para la traducción del movimiento cinético a huella visible

¿Cómo un sistema de engranajes mecanizado permite la generación de geometrías visibles en la materia a partir de movimientos trocoidales?


La fabricación digital, y en particular el estudio de los movimientos presentes en las tecnologías aditivas como la impresión 3D, permite abordar y estudiar a través de este proyecto, la relación entre el movimiento, un sistema mecánico y la generación de formas sobre una superficie de material modificable. En esta primera entrega del proyecto, la arena se utiliza como el soporte de trazo, ya que permite registrar de manera inmediata la huella del movimiento, evidenciando con claridad la trayectoria antes de trabajar con materiales de mayor resistencia.

El proyecto se enfoca en comprender y validar un sistema mecánico capaz de transformar el movimiento en huella, observando cómo influyen en este proceso la configuración del mecanismo, los materiales utilizados y la superficie de trabajo. A través de pruebas, se explora cómo estos movimientos controlados pueden traducirse en formas visibles, permitiendo que la forma del trazo haga surgir el resultado directo del comportamiento del sistema y junto con su interacción con el material utilizado para llevar a cabo esta experimentación morfológica.

Investigación de fabricación digital

Fabricación digital: Tecnologías Aditivas

La fabricación digital se refiere asimismo la creación de objetos físicos a partir de diseños digitales, con el uso de softwares de diseño asistidos por computadora (CAD) y maquinas controladas por computadoras (CAM). A diferencia de procesos de manufactura tradicional o también conocido como fabricación sustractiva, la fabricación por adición busca disminuir costes, eliminar errores y producir con mayor agilidad y precisión.

¿Existen requerimientos para fabricar por adición? Se requiere una estación de trabajo alineada con el centro de producción para diseñar y programar la creación de aquellos nuevos objetos:

  • Un software de modelado 3D, es decir, una aplicación de diseño asistido por ordenador (CAD).
  • Un equipo de fabricación aditiva, como, por ejemplo, una impresora 3D
  • El material necesario para poder generar y traer a la realidad física el diseño previamente realizado, como metal, plásticos o cerámica.

La fabricación digital, impulsada por tecnologías como la impresión 3D, ha transformado la manera en que concebimos la producción, si bien en la manufactura industrial estas tecnologías se utilizan para procesos de gran escala, en los últimos años ha surgido un espacio igualmente relevante pero con un enfoque distinto: el laboratorio de fabricación a pequeña escala.


Tipos de tecnologías aditivas

Hoy en dia, junto con procesos de postratamiento, la tecnologia aditiva se ha utilizado para producir una variedad de herramientas y/o procesos que ayudan a la producción de piezas estructurales de corta serie, piezas bioingenierizadas personalizadas, piezas de producción masiva personalizada, diseños arquitectónicos, piezas para aplicaciones automotrices y aeroespaciales, réplicas arqueológicas y obras de arte, etc.

En el ámbito de la fabricación digital se encuentran las tecnologías aditivas, que se clasifican según el tipo de proceso que utilizan, si bien su denominación puede variar dependiendo de la licencia comercial bajo la que se comercialicen, todas estas tecnologías forman parte del mismo principio de fabricación aditiva:

Extrusion-Based Systems

El proceso consiste en el uso de un filamento termoplástico que es alimentado a través de un cabezal de extrusión con una resistencia calefactora, el material se funde hasta alcanzar un estado semilíquido que permite su deposición controlada, donde, simultáneamente, el cabezal se desplaza siguiendo trayectorias definidas por el modelo digital, conformando así la primera capa y repitiendo el proceso sucesivamente hasta completar la geometría tridimensional de la pieza.

FDM (Fused Deposition Modeling): Es el nombre comercial de la tecnología de extrusión de material que desarrolló y patentó Stratasys en 1989.

FFF(Fused Filament Fabrication): En 2005, con la expiración de varias patentes, la comunidad de software y hardware libre (en especial el proyecto RepRap) empezó a replicar impresoras basadas en el mismo principio de extrusión. y como no podían usar el nombre FDM (porque era una marca registrada de Stratasys), se acuñó el término FFF para describir exactamente el mismo proceso.

Cuando hablamos de extrusión de material no nos referimos a una única tecnología, el término FDM (Fused Deposition Modeling) se utiliza específicamente cuando hacemos alusión a la empresa Stratasys, mientras que FFF (Fused Filament Fabrication) se emplea para referirse a la misma tecnología en un contexto general o en impresoras de otros fabricantes. Esta última es la más conocida y comúnmente asociada con la manufactura aditiva o impresión 3D.

Material Jetting

Esta tecnología, desarrollada a inicios de la década de 2000, funciona de manera similar a una impresora de inyección de tinta tradicional, pero en lugar de imprimir sobre papel, deposita material sobre material hasta formar un objeto tridimensional, el proceso consiste en inyectar pequeñas gotas de material sobre una plataforma de construcción, ya sea de forma continua o bajo demanda (Drop on Demand – DOD). Estas gotas se solidifican capa por capa, dando forma al modelo. La deposición se realiza mediante una boquilla que se desplaza horizontalmente sobre la plataforma, y cada capa se cura o endurece posteriormente mediante luz ultravioleta (UV).

Debido a que el material debe ser depositado en forma de gotas, las opciones disponibles son limitadas, los polímeros y las ceras son los materiales más comunes, ya que poseen la viscosidad adecuada y permiten una correcta formación de gotas.

DOD (Drop On Demand): Es una tecnología de impresión basada en la deposición de gotas bajo demanda. A diferencia de otros métodos de inyección continua, en DOD las boquillas expulsan material únicamente cuando es necesario, es decir, cuando un punto específico debe ser impreso. En el ámbito de la manufactura aditiva, esta tecnología se caracteriza por trabajar generalmente con parafina, la cual se deposita gota a gota mediante un cabezal. El principio es similar al de otras tecnologías basadas en inyección de material, pero con la particularidad de que solo utiliza este material. La tecnología Drop On Demand (DOD) no es una patente exclusiva de una sola empresa, sino un principio general de inyección de tinta.

Polyjet: PolyJet fue desarrollado y patentado por Objet Geometries, una empresa israelí fundada en 1998. En 2012 Stratasys se fusionó con Objet, y desde entonces PolyJet pasó a ser una de sus tecnologías principales. Hoy en día, PolyJet es propiedad de Stratasys y es una de las tecnologías que más promocionan para prototipado realista y aplicaciones que requieren múltiples materiales y colores. El término "PolyJet" es la marca patentada por Objet, mientras que "Material Jetting" es el nombre técnico del proceso.

NPJ (NanoParticle Jetting): Al igual que en PolyJet, esta tecnología deposita material en forma de diminutas gotas. La diferencia está en el tipo de material y el método de curado: en NPJ las gotas contienen nanopartículas metálicas o cerámicas suspendidas en un líquido, y se solidifican mediante luz infrarroja, que calienta y activa la matriz líquida.

Photopolymerization Processes

La tecnología de Vat Photopolymerization se basa en el uso de resinas fotosensibles que se solidifican al ser expuestas a una fuente de luz ultravioleta (UV), durante el proceso, una cuba (vat) se llena con resina líquida y, mediante la acción de la luz proyectada capa por capa, se van generando las diferentes secciones de la pieza hasta conformar la geometría completa. El material líquido no ofrece estabilidad por sí mismo, por ello, es necesario añadir estructuras de soporte adicionales que luego se retiran, el curado de las resinas se lleva a cabo mediante fotopolimerización (Gibson et al., 2010) o luz UV, la cual se dirige sobre la superficie de la resina mediante espejos controlados por motores (Grenda, 2009). Allí donde la luz entra en contacto con la resina, esta se endurece capa por capa hasta formar la geometría completa del objeto.

SLA (Stereolithography): el nombre comercial desarrollado y patentado por 3D Systems en los años 80 (patentes de Chuck Hull).

DLP (Digital Light Processing): basado en el proyector de Texas Instruments, con varias patentes en torno al uso para impresión 3D.

  • CDLP (Continuous Digital Light Processing): CDLP es una variación de la tecnología DLP, tiene como principal diferencia la incorporación de una membrana especial que permite la formación de una delgada capa de oxígeno en el fondo del contenedor de resina, esta capa impide que la resina se cure en esa zona, lo que permite mover la pieza de manera continua y formar la siguiente capa más rápidamente que en DLP, lo que gracias a este proceso, los tiempos de impresión se reducen considerablemente.
  • P3 (Programmable PhotoPolymerization): P3 es la respuesta de Stratasys a las impresoras basadas en CDLP, esta tecnología utiliza un sistema neumático que incrementa la velocidad de creación de capas y, junto con un avanzado sistema de proyección, permite fabricar piezas con tolerancias de hasta 0.0001 pulgadas, estos avances marcan el inicio de las impresoras 3D orientadas a la producción en alto volumen.

CLIP (Continuous Liquid Interface Production): patentado por Carbon3D.

MSLA (Masked Stereolithography Apparatus): Usado por varias marcas (Ej. Anycubic, Elegoo), con menos restricciones porque combina principios ya existentes.

Powder Bed Fusion Processes

SLS (Selective Laser Sintering): Es un proceso de impresión 3D que utiliza láseres de alta potencia para sintetizar o unir partículas de polvo fino y formar una estructura sólida, donde la impresora deposita una capa uniforme de polvo sobre la plataforma de construcción, el láser sinteriza selectivamente los puntos del polvo según el diseño CAD, fusionando las partículas sin llegar a fundirse completamente. Se repite el proceso capa por capa hasta completar la pieza.

MJF (Multi Jet Fusion): Es una tecnología de impresión 3D en lecho de polvo desarrollada por HP, es destacable por ser la única tecnología de este tipo que puede incorporar color directamente durante la impresión. Permite crear piezas únicas con acabado superficial de alta calidad, es rápido y eficiente en costos, adecuado para producción de prototipos y series cortas y soporta integración de color durante la impresión, algo que no todas las tecnologías de lecho de polvo permiten.

SAF (Selective Absorption Fusion): Es la tecnología de impresión 3D en lecho de polvo desarrollada por Stratasys. El proceso funciona con dos cabezales: El primer cabezal precalienta el material y distribuye las capas de polvo sobre la plataforma de construcción, el segundo cabezal inyecta el aglutinante y lo calienta, fusionando las partículas de polvo para formar la capa sólida, permitiendo construir piezas capa por capa a partir de polvo, con un control preciso de la fusión y propiedades mecánicas consistentes, apto para producción industrial y series medianas de piezas funcionales.

SLM (Selective Laser Melting): Es una de las muchas marcas propietarias para una tecnología de manufactura aditiva metálica que utiliza un lecho de polvo y una fuente de calor para crear piezas de metal. También se le conoce como DMLS (Direct Metal Laser Sintering); el término estándar según ASTM es PBF (Powder Bed Fusion). Es una técnica de impresión 3D o prototipado rápido en la que un láser de alta densidad de energía funde y fusiona polvo metálico capa por capa hasta formar la pieza completa.

EBM (Electron Beam Melting): También conocida como electron beam additive manufacturing, es un proceso de impresión 3D o manufactura aditiva que utiliza un haz de electrones guiado por un campo magnético para fundir polvo metálico y construir un objeto capa por capa. La tecnología EBM es patentada y de propiedad de Arcam AB (ahora parte de GE Additive).

Binder Jetting

Binder Jetting es una tecnología de manufactura aditiva que se diferencia de otras porque los materiales no vienen preformados con su apariencia final; la forma se obtiene al combinar el polvo con un aglutinante líquido.

El proceso funciona así:

  • Se deposita una fina capa de polvo sobre la plataforma de construcción, este polvo puede ser metálico, cerámico u otros materiales.
  • Un cabezal imprime un líquido aglutinante sobre el polvo, dando forma a cada capa según el diseño del modelo.
  • Se repite el proceso capa por capa hasta completar la pieza.
  • No requiere calor ni luz ultravioleta para curar el material, permite utilizar líquidos con color, lo que da lugar a piezas con acabado estéticamente atractivo y es ideal para producción de prototipos a todo color y geometrías complejas. Empresas como ExOne y 3D Systems tienen patentes sobre sus propias versiones de Binder Jetting, pero el concepto general sigue siendo libre y utilizado por distintas marcas.

Sheet Lamination Processes

Es una tecnología de manufactura aditiva que construye piezas a partir de láminas delgadas de material sólido, que se van apilando capa por capa, estas láminas pueden unirse mediante adhesivos, calor o incluso presión, dependiendo del material. Antes de adherirse, cada lámina se corta siguiendo el contorno del diseño digital, utilizando láser o cuchillas, los materiales más comunes son papel, polímeros y metales delgados, este método se caracteriza por ser relativamente económico y rápido, lo que lo hace útil para producir prototipos grandes, modelos visuales o conceptuales. Sin embargo, las piezas obtenidas suelen tener limitaciones en cuanto a resistencia mecánica y detalle fino en comparación con otras tecnologías de impresión 3D.

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM): Este proceso fabrica piezas metálicas uniendo láminas mediante vibraciones ultrasónicas de alta frecuencia, lo que permite que se adhieran sin necesidad de fundirse. Las capas se van acoplando unas sobre otras, y gracias a la baja temperatura del proceso es posible incrustar materiales distintos, como sensores o circuitos, dentro de la pieza. Los materiales más comunes son aluminio, cobre, acero y algunas aleaciones ligeras. Su principal ventaja es que reduce la distorsión térmica y evita tensiones internas, algo habitual en los métodos que usan calor intenso. Fundada y patentada por Solidica, actualmente es propiedad de 3D System.

Laminated Object Manufacturing (LOM): En este caso, la pieza se construye apilando láminas de material sólido, que pueden ser papel, polímeros o láminas metálicas delgadas. Cada capa se corta con láser o cuchilla siguiendo el diseño digital y después se adhiere a la capa anterior, usando calor o un adhesivo. Es un proceso bastante rápido y económico, ideal para fabricar prototipos de gran tamaño o modelos conceptuales que se enfocan más en la forma y el volumen que en la resistencia estructural. Su patente es de dominio publico.

Beam Deposition Processes (directed energy deposition)

Es un término que agrupa varias tecnologías de manufactura aditiva, como: Laser Engineered Net Shaping (LENS), Directed Light Fabrication, Direct Metal Deposition y 3D Laser Cladding. Es un proceso de impresión más complejo y se utiliza principalmente para reparar o añadir material a componentes existentes.

La máquina típica de DED cuenta con una boquilla montada en un brazo multi-eje, capaz de moverse en varias direcciones, el material se deposita en la superficie deseada y se funde inmediatamente mediante láser o haz de electrones, solidificándose al instante, este puede ser polímero, cerámica o, más comúnmente, metal, en forma de polvo o alambre. A diferencia de la extrusión tradicional, la boquilla no está fija a un solo eje, permitiendo depositar material desde múltiples ángulos (máquinas de 4 y 5 ejes).

DED es una tecnología propietaria, y aunque el principio general de depositar y fundir material con energía dirigida es conocido, las implementaciones específicas, como LENS o Direct Metal Deposition, están patentadas por empresas como Optomec, Trumpf y DMG Mori, para usar estas tecnologías comercialmente, se requiere licencia o acuerdo con los fabricantes.

LENS (Laser Engineered Net Shaping): Es una tecnología de manufactura aditiva propietaria, diseñada para fabricar piezas metálicas de alta densidad o moldes en pequeños lotes. Utiliza láseres controlados por computadora para fundir flujos de polvo metálico dirigidos por boquillas, creando partes casi listas para su uso, eliminando la necesidad de mecanizado adicional. LENS es una tecnología patentada por Optomec, y su uso comercial requiere licencia o acuerdo con el fabricante.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): Es una técnica de Directed Energy Deposition (DED) que utiliza un alambre metálico como material de aporte y un arco eléctrico como fuente de energía para fundirlo, después la pieza se construye capa por capa, de manera similar a la soldadura por arco, este proceso es adecuado para fabricar componentes metálicos de gran tamaño y formas relativamente simples, aunque con buena resistencia mecánica. Sus ventajas principales son el bajo costo del material (alambre estándar de soldadura) y la capacidad de producir piezas grandes con rapidez, sin embargo, las piezas requieren posprocesamiento (como mecanizado) para mejorar la precisión y el acabado superficial.

Direct Metal Printing (DMP): Es una tecnología basada en Powder Bed Fusion (PBF), muy similar a Selective Laser Melting (SLM), funciona depositando una fina capa de polvo metálico en una plataforma, que luego es fundida selectivamente por un láser de alta potencia siguiendo el diseño CAD, este proceso se repite capa por capa hasta completar la pieza. El resultado son componentes metálicos con alta densidad, excelente precisión y geometrías muy complejas, incluso con canales internos o estructuras ligeras, sus principales ventajas son la calidad de detalle y propiedades mecánicas comparables a las del metal tradicional, aunque tiene como limitación los altos costos de máquina y material, además de un tamaño de construcción reducido frente a otras tecnologías como WAAM.


Fabricación digital: Del entorno industrial al laboratorio de pequeña escala

La fabricación digital, impulsada por tecnologías como la impresión 3D, ha transformado la manera en que concebimos la producción, si bien en la manufactura industrial estas tecnologías se utilizan para procesos de gran escala, en los últimos años ha surgido un espacio igualmente relevante pero con un enfoque distinto: el laboratorio de fabricación a pequeña escala.

En estos entornos, los proyectos se desarrollan bajo dinámicas más ágiles, donde es posible:

  • Trabajar con ciclos rápidos de diseño, prueba y validación, reduciendo tiempos y costos.
  • Probar materiales, funcionalidades y conceptos sin depender de instalaciones industriales complejas.
  • Aprovechar recursos open-source y comunitarios para promover la innovación experimental.
  • Crear espacios colaborativos de aprendizaje donde las ideas se transforman en prototipos funcionales con facilidad.

El concepto de Open Source Everything ha abierto la posibilidad de que herramientas, dispositivos y equipos antes costosos y difíciles de conseguir puedan desarrollarse mediante hardware de código abierto. Esto permite identificar componentes clave de bajo costo y alto impacto, especialmente en ámbitos como el equipamiento de laboratorio.

Hoy, con la ayuda de una impresora 3D y diseños open-source disponibles en línea, los investigadores ya no dependen de soluciones improvisadas ni de equipamiento industrial caro, se pueden fabricar instrumentos personalizados con materiales que ofrecen la misma resistencia y durabilidad que los productos comerciales, impulsando la experimentación accesible y la innovación colaborativa en espacios de pequeña escala.

Para quienes desean establecer un laboratorio de fabricación digital accesible, algunas tecnologías son particularmente adecuadas:

  • Extrusion-based systems (FDM/FFF): Esta tecnología es la más básica y conocida, ideal para laboratorios pequeños o personales. Funciona extruyendo filamento termoplástico capa por capa hasta formar la pieza. Los materiales más accesibles incluyen PLA, ABS y PETG, que son relativamente económicos, fáciles de usar y seguros en comparación con otras opciones. Permiten fabricar prototipos funcionales, soportes, piezas mecánicas y elementos de laboratorio básicos.
  • Vat photopolymerization (SLA/DLP/CDLP): Aunque más avanzada que la extrusión, sigue siendo accesible para laboratorios pequeños gracias a impresoras de escritorio. Utiliza resinas fotosensibles que se curan mediante luz ultravioleta para construir piezas con gran detalle. Sin embargo, presenta ciertos riesgos de toxicidad y manejo, por lo que requiere protocolos de seguridad y ventilación adecuada. Aun así, ofrece la posibilidad de crear prototipos altamente precisos, piezas complejas y equipamiento de laboratorio personalizado.

Al combinar estas tecnologías con hardware de código abierto, los investigadores pueden reemplazar soluciones improvisadas por instrumentos de laboratorio impresos en 3D, con la resistencia y durabilidad necesarias para experimentación diaria, esto democratiza el acceso a la fabricación digital, permitiendo que tanto profesionales como entusiastas desarrollen prototipos y herramientas funcionales de manera segura y económica.


Impresoras 3D: Funcionamiento y guía para la implementación

Las tecnologías de impresión 3D más accesibles y económicas en el mercado son las basadas en filamento y resina, una impresora 3D es esencialmente una máquina CNC que se mueve en tres ejes del espacio:

  • Eje X (ancho): Movimiento hacia la derecha o izquierda, controlado por el motor X.
  • Eje Y (profundidad): Movimiento hacia adelante o hacia atrás, controlado por el motor Y.
  • Eje Z (altura): Movimiento hacia arriba o abajo, controlado por el motor Z.

El cabezal de impresión es el encargado de depositar el material, en los ejes X e Y se modela la forma de cada capa, mientras que en el eje Z se construyen las capas sucesivas que conforman el objeto tridimensional.

Principales partes de la impresora 3D

1. Estructura

Es el “esqueleto” que soporta todos los componentes, absorbiendo vibraciones y movimientos. Incluye:

  • Carro: Sostiene el cabezal y permite su desplazamiento de izquierda a derecha mediante correas conectadas a los motores.
  • Plataforma de impresión: Se mueve hacia adelante y hacia atrás para la formación de cada capa.
  • Cama caliente: Evita que el material depositado se enfríe o contraiga antes de tiempo, asegurando una correcta adhesión.
  • Bloque calentador: Contiene la resistencia que calienta el filamento, su diseño asegura que el calor se transmita de manera uniforme y constante al boquilla.

2. Sistema mecánico

Está compuesto por motores paso a paso que, mediante correas y poleas GT2, convierten el movimiento rotativo en movimiento lineal. También incluye:

  • Rodamientos lineales y radiales para un desplazamiento suave.
  • Extrusor y fusor, que trabajan en conjunto para fundir y depositar el material.

3. Circuito del filamento

El filamento se desplaza desde la bobina hasta el extrusor, que lo empuja hacia el fusor para su fundición y deposición. Es fundamental evitar nudos en la bobina para garantizar un flujo constante.

El extrusor es una de las partes más importantes, ya que funde y expulsa el filamento a través de la boquilla, existen diferentes configuraciones, como el extrusor tipo Bowden, donde el motor que empuja el filamento está separado del cabezal para reducir el peso en movimiento.

¿Como elegir un extrusor de impresora 3d?

  • Definir las necesidades de impresión: Antes de elegir, es fundamental determinar el tipo de material o filamento que se utilizará, el tamaño de las piezas que se desean imprimir y el nivel de precisión requerido.
  • Seleccionar el material adecuado: El material debe ser compatible con el extrusor, ya que cada filamento tiene características distintas como adherencia, temperatura de fusión y estabilidad durante el proceso de impresión. Estas variables influyen en la configuración de la impresora, por ejemplo, en la altura de capa o la temperatura de extrusión.
  • Velocidad de impresión: La velocidad afecta directamente la calidad y la precisión. Un extrusor que permita ajustar este parámetro de manera eficiente ayudará a obtener mejores resultados, especialmente en piezas que requieran detalles finos.

Guía para experimentación con materiales en impresión 3D

1. Definir las necesidades de impresión, pues antes de elegir un material, es fundamental identificar:

  • Tipo de material o filamento, como por ejemplo cerámico, biomaterial, pasta, gel, etc.
  • Tamaño de la pieza, ya sean dimensiones y complejidad geométrica.
  • Nivel de precisión requerido: detalle fino vs. formas simples.

Es recomendable estructurar un protocolo de prueba para evaluar el comportamiento inicial del material:

  • Preparación del material: ajustar humedad, mezclar componentes o añadir aditivos según sea necesario.
  • Test de extrusión: usar jeringa o extrusor simple para verificar fluidez y consistencia.
  • Test de impresión mínima: imprimir una línea o figura pequeña para observar estabilidad y adherencia.
  • Evaluación final: revisar tiempo de secado, capacidad de mantener forma, estabilidad y precisión.

2. Selección del material adecuado, el cual debe ser compatible con el extrusor disponible, considerando:

  • Adherencia y temperatura de extrusión: afectan la configuración de la impresora (altura de capa, flujo y temperatura).
  • Estabilidad durante el proceso: evitar colapsos, deformaciones o grumos que interrumpan la impresión.

Para materiales experimentales, es útil establecer parámetros mínimos que todo material debe cumplir:

  • Viscosidad o fluidez: que pueda pasar por la boquilla sin atascarse.
  • Homogeneidad: sin grumos ni partículas grandes.
  • Capacidad de mantener forma: que no se desmorone o colapse al ser depositado.

3. Ajuste de la velocidad de impresión, es importante porque afecta directamente calidad y precisión:

  • Extrusores que permiten regular velocidad ofrecen mayor control sobre detalles finos.
  • Ajustar gradualmente evita bloqueos y permite aprender cómo el material responde durante la impresión.

¿Significado más allá del resultado?: Explorando los límites del material

¿Qué aspectos del proceso de impresión pueden considerarse significativos más allá del resultado final?

¿Cómo cambia el sentido del experimento si lo central es el proceso y no el objeto?

Explorando la contingencia y el fallo como métodos intencionales: ¿Cuándo un “defecto” se vuelve dato y qué fallas vale la pena provocar para aprender del material y de la cinemática?

Siguiendo con la línea de que existen parámetros específicos para poder imprimir en 3D cualquier material que transite de pasta a sólido dentro de la tecnología de extrusión (FDM O FFF), se abre también un campo de exploración cuando estos parámetros se desplazan fuera de su “punto óptimo”, por ejemplo:

  • Un material demasiado fluido deja huellas visibles de su recorrido, rastros del flujo de impresión que normalmente se intentan corregir, pero que en este caso revelan su comportamiento interno y su relación con la gravedad o con la superficie de apoyo.
  • Un material demasiado rígido, en cambio, evidencia resistencia, interrupciones en el trazo, fracturas o acumulaciones que muestran cómo el proceso se vuelve más cercano a la deposición de fragmentos que a una extrusión continua.

¿Qué relata del material el momento exacto en que deja de fluir y empieza a sostenerse?

Lo que emerge en esa zona intermedia, justo en el instante en que la pasta deja de fluir para comenzar a sostenerse, es lo que la vuelve particularmente revelador, allí no solo se define la viabilidad técnica de la impresión, sino que se hace visible la condición material de transición: la tensión entre lo blando y lo firme, lo líquido y lo sólido.

Aquí la pregunta no es solo “¿se imprime bien?”, sino ¿qué se muestra del material en esta ventana de transición? ¿Cuáles son los desajustes controlados que exponen al material a su propio límite y que permita mostrar estas huellas, texturas y rastros que hablan de su naturaleza y de la experiencia misma de imprimir?

Si además de atender a los parámetros del material se abre la mirada hacia la cinemática de la máquina CNC, el gesto de impresión adquiere otra linea de exploración: la velocidad, la aceleración y la trayectoria dejan huellas directas en la pieza, como capas más apretadas o más sueltas, apilamientos que tienden a colapsar, y marcas que evidencian vibraciones o tensiones propias del movimiento.

Un mismo extrusor, montado en distintas configuraciones entonces, podría producir diferencias visibles en el trazo, en la forma en que la pasta se deposita y en cómo las capas dialogan entre sí, la máquina, en este sentido, no es un soporte neutro: imprime con un gesto propio.

El tiempo también se vuelve un componente fundamental del proceso, los ritmos de impresión más rápidos o más lentos condicionan de manera distinta la respuesta del material: un material ligero y menos denso puede sostenerse bajo la velocidad, mientras que otro más pesado necesita la lentitud para consolidarse, pero ambos, sin embargo, pueden resultar viables para obtener un objeto estable, siempre que el ritmo se ajuste a su naturaleza. ¿De qué manera el tiempo de impresión, entendido como ritmo y duración, se convierte en una variable que no solo condiciona la estabilidad del material, sino que también define la identidad y el carácter del objeto impreso?

Cinemática de la máquina

La cinemática en una máquina CNC se refiere a la manera en que se describe y ejecuta el movimiento de sus ejes físicos en respuesta a los códigos NC, dichos códigos se traducen en trayectorias y desplazamientos que permiten fabricar una pieza.

¿Qué cinemática permite explorar mejor el “gesto” de la impresión?

Ahora bien, no existe una única respuesta correcta. El gesto puede variar según el sistema empleado, ya que cada configuración define de forma distinta cómo se deposita el material, en este sentido, la exploración se abre a diferentes esquemas cinemáticos, la mayoría de ellos de carácter rectilíneo, es decir, basados en rieles o correas lineales que posiciona el cabezal de impresión respecto a la cama, entre los más relevantes se encuentran:

Sistema de movimiento cartesiano Bed Slinger: Utiliza un esquema cartesiano clásico, donde el cabezal de impresión se desplaza a lo largo del eje X, la cama se mueve en el eje Y y el pórtico (estructura donde va montado el cabezal) asciende o desciende en el eje Z.

CoreXY: Es una variación cartesiana en la que el cabezal se mueve en los ejes X e Y mediante un sistema de correas cruzadas impulsadas por dos motores, la cama permanece fija en esos ejes y solo se desplaza en Z.

Sistema de movimiento Delta: Emplea tres brazos verticales que, de manera coordinada, controlan la posición del cabezal sobre una cama circular y fija, este tipo de impresora destaca por su rapidez y su capacidad para realizar movimientos suaves y continuos.

Sistema de movimiento Polar: Se basa en una cama de impresión giratoria y un brazo radial. En lugar de trabajar con coordenadas cartesianas (X, Y, Z), la máquina opera en coordenadas polares, usando ángulos y radios. Así, en lugar de indicar “20 mm en X y 10 mm en Y”, se puede programar “gira 45° (θ) y extiende el brazo 50 mm hacia afuera (r)”.

Otras cinemáticas para impresión 3D:

Estas otras cinemáticas, que no siempre cuentan con una denominación formal, se entienden más bien como exploraciones experimentales del gesto de deposición de material, las cuales no se limitan necesariamente al uso de pastas u otros compuestos extruibles, sino que abren la posibilidad de pensar la impresión como un acto ampliado, donde lo central no es solo el resultado final, sino la forma en que el material se traza, se acumula o se distribuye en el espacio:

  • SketchPath: El sistema SketchPath, desarrollado en una residencia artística en la Universidad de California (UCSB), transforma dibujos manuales en trayectorias de impresión sobre cerámica. Lo distintivo es cómo captura el trazo humano (con imprecisiones deliberadas) y lo convierte en un gesto digital que lo materializa en lo orgánico.
  • Hangprinter: Es una impresora delta sin estructura rígida, suspendida del techo por cables. Permite imprimir objetos de gran escala interactuando con el espacio de forma notable: el gesto de impresión se extiende hacia todo el ambiente, no solo la cama.

¿A tráves de que construyo las cinemáticas?

Encontrándome ahora con la pregunta de como controlar la ruta del extrusor para que con esta deposición de material controlada se puedan aprovechar al maximo las condiciones del material, se vuelven a recordar las impresoras y sus diferentes cinemáticas, dividiendo sus ejes para visualizarlos por separado: X Y Z

  • Recordando que la forma de imprimir, la cual es elemental, no limite el movimiento del cabezal.
  • La calidad de impresión depende del material: no es lo mismo imprimir plástico a imprimir pastas como la arcilla (¿testear las fallas o la inspección visual?)
  • Explorar las geometrías para probar esa calidad de impresión del material trabajado (la expresión de la impresión)
  • Imprimir puentes y ángulos voladizos es mas efectivo en plastico que en arcilla, pero se puede explorar la naturaleza del mismo y su comportamiento

Entonces, ¿de que depende la forma en que se imprime?


Estudio de cinématica

Espirografo ¿Cómo funciona?



El espirografo es una herramienta que trabaja a partir de formas geométricas de carácter trocoidal, generando específicamente curvas hipotrocoides y epitrocoides, definidas por el movimiento de una circunferencia que rueda dentro o fuera de otra respectivamente.

Cada figura generada por el espirografo no puede repetirse con otra cinemática distinta, a menos que se modifique alguno de los parámetros del sistema, como el tamaño de las circunferencias o el punto desde donde se traza la linea, es en esta parte del proceso del proyecto, donde se toma la decisión de que el avance siguiente se trabajara estudiando una cinemática hipotrocoidal.



Algunos ejemplos de referencias de cinemáticas con modelos físicos de este tipo son del matemático Martin Schilling, quien introdujo una serie de modelos matemáticos que inscriben linealmente las curvas para la investigación.

Algunos modelos referentes son:

  • Peaucellier Invensir, Kinematic Model
  • Involutes of circles, Kinematic Model
  • Epitrochoid, Kinematic Model
  • Hypotrochoids, Kinematic Model
  • Hypotrochoids with delay, Kinematic Model

Primeras pruebas con deposición de material

Las primeras pruebas se realizaron mediante la deposición manual de arcilla, guiando el material según la cinemática del espirografo para observar cómo respondía frente a los movimientos propuestos, estas pruebas buscaban entender si la combinación entre el gesto mecánico y la arcilla podía generar un trazo controlado y legible.





Hallazgos:

  • La cinemática funciona en virtud de la ruta, la cual se puede generar e identificar la forma o al menos parte de la forma de la hipotrocoide de un espirógrafo.
  • La forma de testearlo no fue la más óptima a pesar de que se ve la forma que se buscaba: Por ejemplo, apretar el recipiente que deposita el material no es acordé a la mecánica del extrusor y termina complicando el proceso.
  • La forma de como la circunferencia mas pequeña recorre el interior de la más grande tiene holgura que evita un recorrido fluido, es necesario apretar la circunferencia.

Cambio de enfoque: De la deposición de material al trazado directo de la huella

Los resultados obtenidos en las pruebas anteriores revelaron que la deposición de arcilla no entregaba la precisión ni el control esperados, esto me llevó a redefinir la dirección del proyecto: en vez de seguir intentando depositar material, el foco pasó a trazar directamente la huella del movimiento. Este cambio me permitió concentrarse en entender el comportamiento mecánico del sistema, validar la cinemática del espirografo y avanzar en la estabilidad del mecanismo antes de volver a incorporar materiales más complejos en etapas futuras.

Desarrollo de prototipo

El prototipo presentado para esta entrega corresponde a un sistema de espirografo mecánico motorizado, en el que la geometría de los engranajes de la hipotrocoide construida son las que definen las trayectorias que se trazan.

Para la construcción de la estructura se utilizó una combinación de materiales: piezas cortadas en acrílico, que aportan precisión geométrica al sistema, y piezas impresas en 3D, utilizadas principalmente en zonas que requieren mayor resistencia estructural y refuerzo, finalmente agregando a la máquina un motor con sistema reductor, el cual entrega la fuerza y el movimiento inicial, transmitiéndolo a través del conjunto de engranajes que lo componen para poder mover todo en conjunto de manera estable.



Primeras preguntas realizadas para el desarrollo del proyecto

A lo largo del desarrollo del proyecto, el avance se organiza a partir de una serie de preguntas que me permitieron ordenar los puntos que abordaria para estsa primera etapa del proyecto, tanto la investigacion como la experimentación en si:

¿Qué tipo de sistema mecánico resulta más adecuado para generar las trayectorias controladas?

¿Qué material resulta más pertinente para las primeras pruebas de registro del trazo?

¿Con qué materiales es posible construir la estructura de la máquina para asegurar estabilidad, precisión y facilidad de modificación?

¿Qué tipo de mecanismo de accionamiento permite regular la velocidad y el ritmo del trazo?

Prototipo entregable: Máquina con sistema de espirografo mecánico y motorizado



Parte motorizada y de accionamiento

Estas decisiones responden a la necesidad de observar el comportamiento del sistema de manera más estable y controlada: se optó por incorporar un motor de movimiento continuo para asegurar un desplazamiento constante, cosa que no sería posible de garantizar si se hiciera manualmente, además del motor, tambien se integró un interruptor como mecanismo de encendido y apagado, permitiendo un mayor control del inicio y término del movimiento durante la experimentación.



Pruebas realizadas y respectivos resultados

Con el prototipo actual armado se pudieron realizar las pruebas accionando el sistema, dando como resultado las figuras generativas de tipo hipotrocoide que se estudiaron durante el proceso, permitiendo poder validar el método de trazado para seguir avanzando y dar paso a futuras pruebas utilizando la mecánica actual y el ritmo de produccion de nuevas piezas para incluir a futuro.





Fuentes bibliográficas

Additive Manufacturing Research Group - About Additive Manufacturing https://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/

¿Qué es la Manufactura Aditiva y qué ventajas tiene? https://grumeber.com/manufactura-aditiva/

impresoras 3D- Cómo funciona una impresora 3D https://www.impresoras3d.com/como-funciona-una-impresora-3d/

Impresora 3D de Extrusión: Guía definitiva 2024 https://www.zwspain.com/impresora-3d-de-extrusion-guia-definitiva-de-2024/

How to tell that clay is ready to be used for printing https://www.3dwasp.com/en/faq/how-to-tell-that-clay-is-ready-to-be-used-for-printing/

Robocasting of advanced ceramics: ink optimization and protocol to predict the printing parameters - A review https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844022019399



Taller de Titulación 2

La primera etapa de titulación me permitió comprender y validar el fenómeno cicolidal a través de un espirógrafo mecánico motorizado, cuyo sistema de engranajes definía las trayectorias trazadas sobre arena, ya que, al cierre de esa etapa se proyectaban dos líneas de desarrollo: la reincorporación de materiales como la arcilla y la integración de un eje Z que permitiera trazar en profundidad, sin embargo, al evaluar la complejidad que ambas implicaban frente a los plazos y al estado del mecanismo, se tomó la decisión de acotar el alcance del proyecto y concentrarlo en el dibujo sobre el plano y en la máquina misma.

En lugar de ampliar el sistema hacia nuevos materiales, esta segunda etapa se piensa orientar el proyecto a descomponer la geometria detrás del espirógrafo e identificar los principios mínimos que generan el fenómeno: dos rotaciones combinadas y un punto de trazado variable, materializandose en un nuevo sistema sin engranajes.

Descomponer la geometria...

¿Cual es la descomposición geometrica del movimiento del espirografo? ¿Cómo lo traduzco a piezas nuevas que imitan los patrones del mismo?

Como se describió anteriormente, el espirógrafo funciona mediante un engranaje pequeño que gira dentro del área de uno mayor; al colocar un lápiz en algún orificio del engranaje pequeño se genera un patrón cuya forma depende de qué tan cerca o lejos del centro se ubique ese punto. De esta observación se desprende el principio de la simplificación: si lo que define el patrón es la distancia entre el punto de trazado y el centro de giro, basta un brazo extendido que recorra ese rango de posiciones para cumplir la función de los orificios haciendo que el engranaje pequeño deja de ser necesario.

  • 1) El espirógrafo original; la circunferencia pequeña (con sus varios orificios marcados con puntos por donde se ubica el lapiz que traza tradicionalmente) gira dentro de la mayor; las flechas muestran ambas rotaciones.
  • 2) Los orificios se reemplazan por una línea (en rojo) que recorre las posiciones posibles del trazador, desde el centro hacia el borde.
  • 3)La circunferencia grande se convierte en otro brazo, el brazo rojo que va del centro de la circunferencia menor hacia el punto de trazado y el engranaje pequeño deja de ser un disco y pasa a ser un brazo más
  • 4) La forma final simplificada: ya no hay engranajes, solo los dos brazos articulados girando de manera combinada sobre sus ejes. Las dos rotaciones se conservan y los dos discos desaparecen.



Maqueta con motor incorporado:

La primera maqueta de baja resolución que incorporó el sistema descrito anteriormente consistía en un conjunto de piezas cortadas. Un brazo se une, por uno de sus extremos, a un eje de madera que le permite girar; en su otro extremo lleva montado un motor, y este motor acciona un segundo brazo, más pequeño, haciéndolo girar. Sobre este segundo brazo se ubica el marcador que realiza el trazo. El conjunto se monta sobre una base diseñada con una tolerancia que permite el giro reduciendo el roce entre la madera y el plástico.

Las pruebas con esta maqueta permitieron observar las dos variables principales del sistema:

La primera es que esta variable depende de quien lo opera; aunque el motor gira el brazo menor a velocidad constante, lo que determina la forma del patrón no es la velocidad de cada brazo por separado, sino la razón entre ambas. Al girar el brazo mayor con la mano, la persona introduce una rotación cuya velocidad depende de la fuerza que aplica; cuando esa velocidad cambia, cambia también esa proporción y, con ella, la geometría: un giro más lento produce curvas con más pétalos, uno más rápido las simplifica. Es esto lo que convierte la fuerza de la persona en una variable geométrica activa del sistema.

La segunda variable es la posición del marcador sobre el brazo menor: cuanto más alejado del centro, más amplia y abierta resulta la curva; cuanto más cerca, el patrón se cierra muestran esta progresión de mayor a menor apertura geométrica que es primordial para la lógica del espirógrafo.

Lo otro son algunas limitaciones estructurales que se dejaron en evidencia con la maqueta es que las piezas de acrílico estaban dispuestas de forma plana, sin aprovechar la rigidez que se obtiene cuando un elemento trabaja en posición vertical, como una viga. otra limitación y quizas la más crítica, es el desbalance de pesos: un extremo del brazo mayor estaba fijado al eje vertical y el otro sostenía el motor, que a su vez cargaba el brazo menor; toda esa acumulación de peso en un solo lado impedía que el sistema girara de manera fluida.

  • La solución en el diseño es extender los brazos de modo que el eje vertical los atravesara por su punto medio, convirtiendo el tramo opuesto al trazador en un contrapeso funcional. Esta decisión también es necesaria pensando en los componentes que se proyectaba incorporar más adelante, como baterías y motores adicionales, ya que agregar peso sin haber resuelto el equilibrio puede agravar el problema.
  • Por último, el cambio en la disposición estructural y en los materiales hacía necesario revisar también el motorque se utilizará: el que se usaba hasta ese momento, pequeño y con reducción de velocidad, resultaba insuficiente frente a las nuevas exigencias del sistema.



Toma de decisiones:

Algunas decisiones materiales cambiaron sobre la marcha por razones prácticas, por ejemplo, para fijar ciertas piezas al eje vertical se tenía la intención de plegar acrílico con calor para fabricarlas de forma que estas calzaran en una pieza diseñada para darle estabilidad a la estructura.



Pruebas con acrílico plegado:

Se realizaron pruebas con calor; pero el resultado no era suficientemente preciso porque al ser las piezas de mayor largo, el plegado no garantiza la exactitud geométrica que el sistema requería como con piezas más pequeñas.

A la vez se consideró una manera de fijar el brazo A en el eje vertical de manera que esta también tuviese una pieza de distinto material, esta vez un antideslizante que pueda adherirse al aluminio



Por esta razón se optó por perfiles de aluminio, que aportaban la rigidez y la precisión dimensional necesarias para sostener los demás componentes sin depender de un proceso manual complicado:



Prototipado e iteraciones al resultado final

En virtud de lo anteriormente mencionado con respecto a las pruebas fallidas de acrílico plegado, las siguientes iteraciones se construyeron combinando perfiles de aluminio con piezas impresas en 3D a medida para los componentes que requerían mayor precisión, como los encajes y soportes que debían articularse con exactitud dentro del sistema.

Este proceso se fue ajustando progresivamente, pieza por pieza, hasta definir las formas que permitieran ensamblar el conjunto de manera estable y, recalcando, la replicabilidad de las piezas en virtud del proyecto.



¿Que es necesario resolver teniendo en cuenta todos los puntos anteriores?

  • El primer punto anotado refiere a cómo se sujeta y opera el sistema: se proyecta un soporte desde el cual la persona pueda hacer girar la máquina de manera cómoda y controlada.
  • Definir la disposición de los componentes electrónicos y cuáles serían: en esta etapa ya se había decidido trabajar con Arduino como sistema de control y con un motor stepper accionado por un driver ULN2003.
  • Como el motor se fijará de manera que pueda sostener y girar el brazo B, es necesario diseñar un soporte a medida donde este pueda calzar.
  • Cuales son las piezas y como se diseñarán para sostener el brazo más largo (Brazo A).
  • Cómo será el brazo más corto y laas piezas que corresponden al mismo (Brazo B).
  • El trazador del sistema, diseñarlo de manera que el trazo sea constante y lo más inequívoco posible.
  • Definir el mecanismo giratorio de sistema.



Integración de motor stepper 28BYJ-48 al sistema

En paralelo, el sistema electrónico se trabajó de forma independiente antes de integrarse al prototipo físico, la primera prueba consistió en hacer funcionar el motor stepper a velocidad continua máxima, con el objetivo de conocer los límites de operación del motor y verificar que el conjunto electrónico respondiera correctamente: se utilizó un Arduino Uno, el motor stepper con su driver ULN2003, y como fuente de energía provisional, la alimentación entregada por el cable USB conectado al computador pero una vez verificado el comportamiento del motor, se reemplazó la alimentación por USB por una fuente de energía portatil y más pequeña, lo cual es importante porque todos los componentes electrónicos, incluyendo el Arduino y el driver, se ubican sobre el Brazo A, que es el brazo que gira durante la operación.

Pruebas de soporte del motor: Esta pieza se diseñó para que el motor quedara alojado con precisión, ajustándose sin holgura excesiva, es decir, sin el movimiento indeseado que se produce cuando una pieza encaja con demasiado espacio y tiende a desplazarse.

  • Estas pruebas permitieron evaluar también el comportamiento del motor frente al roce entre las piezas: se buscaba que fuera capaz de girar sin dificultad, pero que al mismo tiempo la precisión de este ajuste mantuviera todo estable.
  • A partir de estas primeras piezas y de las decisiones registradas en el croquis, quedó definida la forma en la que se avanzaría el prototipado: un eje vertical que atraviesa el punto medio del brazo largo y del brazo corto, equilibrando el sistema en ambos lados.



  • Código utilizado:
#define IN1  8
#define IN2  9
#define IN3  10
#define IN4  11

// Velocidad constante (más lentita)
const int velocidad = 5;

int paso[4][4] =
{
  {1, 0, 0, 0},
  {0, 1, 0, 0},
  {0, 0, 1, 0},
  {0, 0, 0, 1}
};

void setup() {
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  pinMode(IN3, OUTPUT);
  pinMode(IN4, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Secuencia de pasos siempre adelante
  for (int i = 0; i < 4; i++)
  {
    digitalWrite(IN1, paso[i][0]);
    digitalWrite(IN2, paso[i][1]);
    digitalWrite(IN3, paso[i][2]);
    digitalWrite(IN4, paso[i][3]);
    delay(velocidad);
  }
}

Con la fuente de alimentación resuelta, se incorporó el trazador al sistema. La pieza utilizada fue una adaptación de un diseño existente, ajustada a las dimensiones y requerimientos del prototipo:


Con todos los componentes integrados, se realizaron las primeras pruebas de trazado sobre el plano: el motor opera a velocidad constante, según lo definido, y los resultados comenzaron a mostrar las curvas cicloidales esperadas.

  • Resultados de trazo:

Las primeras pruebas presentaron dificultades relacionadas con tolerancias que aún no estaban del todo resueltas, lo que afectaba la estabilidad del sistema; sin embargo, el dibujo apareció. Este momento marcó un cambio de etapa dentro del proceso: el prototipo dejó de ser un ejercicio de definición formal para convertirse en una máquina que efectivamente trazaba los patrones que se habían estudiado desde el comienzo.

  • Resultados de trazo:



Integración del trazador

Con la fuente de alimentación resuelta, se incorporó el trazador al sistema; Para las primeras pruebas de trazado se utilizó un trazador diseñado por Cristian Mella, el cual fue adaptado al sistema para poder realizar los primeros registros sobre el plano. Este mecanismo funcionó como referencia concreta para desarrollar el trazador definitivo: a partir de observar su funcionamiento, se diseñó una versión propia que siguiera el mismo lenguaje formal de la estructura de la máquina y que respondiera a los requerimientos específicos del sistema, en particular la reducción de peso.

El trazador final se diseñó de manera que sus piezas, impresas en 3D, ocuparan el mínimo material necesario para cumplir su función sin agregar carga innecesaria al extremo del Brazo B, donde cualquier exceso de masa afecta directamente el equilibrio y la fluidez del trazo.



Integración del encoder rotatorio KY-040

Se toma la decisión de incorporar un encoder rotatorio KY-040 al sistema con el objetivo de que la velocidad de giro del Brazo A sea leída por el Arduino y utilizada para modular el comportamiento del motor en tiempo real.

El encoder rotatorio KY-040 es un transductor incremental el cual convierte el movimiento rotacional del eje en pulsos eléctricos que el Arduino puede leer e interpretar. A diferencia de un potenciómetro, que mide una posición absoluta, el encoder registra el desplazamiento de manera relativa, contando los pulsos generados por cada giro y detectando su dirección a partir del desfase entre sus dos señales de salida. A partir de esa información y midiendo el tiempo entre pulsos, el sistema calcula la velocidad angular con que se está girando el Brazo A y la utiliza para modificar el comportamiento del motoren el brazo B.

Para resolver el montaje sin que los cables se enreden, se decide fijar el cuerpo del encoder a la parte giratoria del sistema junto al Arduino y al Brazo A, mientras su eje interno se ancla a la base fija mediante un tubo delgado. Así el encoder detecta el giro relativo entre ambas partes y todo el cableado queda contenido en la parte giratoria.

Se definen tres modos de funcionamiento, seleccionables mediante el botón SW integrado en el encoder:

  • Modo constante: el motor gira a velocidad fija, sin responder al encoder. Corresponde al comportamiento base con el que se trabajó en etapas anteriores.
  • Modo directo: la velocidad del motor es proporcional a la velocidad de giro del Brazo A.
  • Modo inverso: la relación anterior se invierte; a mayor velocidad de giro, menor velocidad del motor.



El encoder cumple la función de registrar lo que ocurre en el Brazo A y lo traduce en una señal que el Arduino puede leer y utilizar para modificar el comportamiento del motor. Capturar una variable externa al motor y convertirla en una modificación del trazo mediante la velocidad de giro que se le aplique al sistema abre la posibilidad de que distintos otros componentes, no necesariamente que la persona, operen el sistema e intervengan en el resultado, por ejemplo; Si fuese la fuerza del viento la que empujara el sistema mediante una vela, una corriente de agua a través de una paleta, o un micrófono captando el sonido ambiente, el sistema censaría esa variable de la misma manera y el trazo sería el registro de ese fenómeno mediante los sensores que se le incorporen.

Pruebas con encoder rotativo en el sistema

A partir de esto se hicieron las primeras pruebas del sistema incluyendo una pieza capaz de captar este giro siguiendo la lógica del funcionamiento tanto de sistema existente como la lógica del componente. A través de un código el cual le indica al sistema lo siguiente:

El encoder mide la velocidad de giro contando pulsos mediante interrupciones cada 100ms; por lo tanto cuantos más pulsos detecte, significa que se gira el eje rápido, y esos pulsos se convierten mediante una función de mapeo a un delay más pequeño para el motor stepper, haciendo que gire rápido; si segira lento el encoder, hay menos pulsos y el delay aumenta ralentizando el motor; si no se gira, no hay pulsos y el motor casi se detiene.



En la siguiente prueba se confirma uno de los puntos anteriormente descritos que se quiere desarrollar con el sistema: el encoder logra captar y convertir la velocidad de giro manual en una señal que hace que ese giro sea directamente proporcional a la velocidad del motor stepper.

  • Código utilizado:
// ============================================================================
// CONTROL DE MOTOR STEPPER 28BYJ-48 CON ENCODER ROTATIVO KY-040
// Arduino Nano - Velocidad variable según encoder
// ============================================================================

// ============================================================================
// DEFINICIÓN DE PINES
// ============================================================================
#define IN1  8
#define IN2  9
#define IN3  10
#define IN4  11

#define ENCODER_CLK  2
#define ENCODER_DT   3
#define ENCODER_SW   4

// ============================================================================
// CONSTANTES AJUSTABLES
// ============================================================================
const int DELAY_MINIMO = 3;       // Delay mínimo en ms (encoder girando rápido)
const int DELAY_MAXIMO = 15;      // Delay máximo en ms (encoder girando lento)
const int DELAY_PARADO = 15;      // Delay cuando encoder no gira
const int TIEMPO_TIMEOUT = 500;   // Tiempo en ms para considerar que el encoder se paró

// ============================================================================
// MATRIZ DE PASOS DEL MOTOR STEPPER
// ============================================================================
int paso[4][4] = {
  {1, 0, 0, 0},
  {0, 1, 0, 0},
  {0, 0, 1, 0},
  {0, 0, 0, 1}
};

// ============================================================================
// VARIABLES GLOBALES - ENCODER
// ============================================================================
volatile int contador_pulsos = 0;     // Contador de pulsos del encoder
volatile unsigned long tiempo_ultimo_pulso = 0;  // Tiempo del último pulso
int velocidad_encoder = 0;            // Velocidad actual (tiempo entre pulsos)
unsigned long tiempo_ultima_lectura = 0;

// ============================================================================
// VARIABLES GLOBALES - MOTOR
// ============================================================================
int delay_motor = DELAY_PARADO;       // Delay actual del motor
int paso_actual = 0;                  // Paso actual de la secuencia
unsigned long tiempo_ultimo_paso = 0; // Tiempo del último paso ejecutado

// ============================================================================
// CONFIGURACIÓN INICIAL
// ============================================================================
void setup() {
  // Inicializar pines del motor como salidas
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  pinMode(IN3, OUTPUT);
  pinMode(IN4, OUTPUT);

  // Inicializar pines del encoder
  pinMode(ENCODER_CLK, INPUT);
  pinMode(ENCODER_DT, INPUT);
  pinMode(ENCODER_SW, INPUT_PULLUP);

  // Configurar interrupciones en los pines 2 y 3 (CLK y DT)
  // Se activan en cada cambio (CHANGE) para detectar el movimiento
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ENCODER_CLK), ISR_encoder_CLK, CHANGE);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ENCODER_DT), ISR_encoder_DT, CHANGE);

  // Inicializar comunicación Serial para debug
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("=== SISTEMA INICIADO ===");
  Serial.println("Encoder conectado a pines 2 (CLK) y 3 (DT)");
  Serial.println("Motor stepper conectado a pines 8-11");
  Serial.println();
  Serial.print("Rango de delay: ");
  Serial.print(DELAY_MINIMO);
  Serial.print("ms (rápido) a ");
  Serial.print(DELAY_MAXIMO);
  Serial.println("ms (lento)");
  Serial.println();

  // Guardar tiempo inicial
  tiempo_ultima_lectura = millis();
  tiempo_ultimo_pulso = millis();
}

// ============================================================================
// FUNCIÓN PRINCIPAL - LOOP
// ============================================================================
void loop() {
  // --- Leer velocidad del encoder y calcular delay del motor ---
  if (millis() - tiempo_ultima_lectura >= 100) {  // Actualizar cada 100ms
    calcularDelayMotor();
    mostrarDebug();
    tiempo_ultima_lectura = millis();
  }

  // --- Ejecutar paso del motor si es tiempo ---
  ejecutarPasoMotor();
}

// ============================================================================
// INTERRUPCIÓN 1: FLANCO EN PIN CLK (pin 2)
// ============================================================================
void ISR_encoder_CLK() {
  // Registrar el tiempo de este pulso
  tiempo_ultimo_pulso = millis();
  
  // Incrementar contador de pulsos
  contador_pulsos++;
}

// ============================================================================
// INTERRUPCIÓN 2: FLANCO EN PIN DT (pin 3)
// ============================================================================
void ISR_encoder_DT() {
  // Registrar el tiempo de este pulso
  tiempo_ultimo_pulso = millis();
  
  // Incrementar contador de pulsos
  contador_pulsos++;
}

// ============================================================================
// FUNCIÓN: CALCULAR DELAY DEL MOTOR SEGÚN VELOCIDAD DEL ENCODER
// ============================================================================
void calcularDelayMotor() {
  // Obtener el número de pulsos desde la última lectura
  int pulsos = contador_pulsos;
  contador_pulsos = 0;  // Reiniciar contador

  // Calcular tiempo transcurrido desde el último pulso
  unsigned long tiempo_transcurrido = millis() - tiempo_ultimo_pulso;

  // --- Determinar si el encoder está girando o parado ---
  if (tiempo_transcurrido > TIEMPO_TIMEOUT || pulsos == 0) {
    // El encoder está parado (no hay pulsos recientes)
    velocidad_encoder = 0;
    delay_motor = DELAY_PARADO;
  } else {
    // El encoder está girando
    // A más pulsos en menos tiempo → encoder más rápido → delay motor más pequeño
    // A menos pulsos en más tiempo → encoder más lento → delay motor más grande

    // Usar la cantidad de pulsos como indicador de velocidad
    // Mapear rango de pulsos (0-20) al rango de delay (MAXIMO-MINIMO)
    velocidad_encoder = pulsos;
    
    // Mapear pulsos a delay del motor
    // A más pulsos → menor delay (motor más rápido)
    // A menos pulsos → mayor delay (motor más lento)
    delay_motor = map(pulsos, 0, 20, DELAY_MAXIMO, DELAY_MINIMO);
    
    // Asegurar que el delay esté dentro del rango permitido
    delay_motor = constrain(delay_motor, DELAY_MINIMO, DELAY_MAXIMO);
  }
}

// ============================================================================
// FUNCIÓN: EJECUTAR UN PASO DEL MOTOR STEPPER
// ============================================================================
void ejecutarPasoMotor() {
  // Verificar si es tiempo de ejecutar el siguiente paso
  if (millis() - tiempo_ultimo_paso >= delay_motor) {
    // Aplicar el patrón de paso actual a los pines
    digitalWrite(IN1, paso[paso_actual][0]);
    digitalWrite(IN2, paso[paso_actual][1]);
    digitalWrite(IN3, paso[paso_actual][2]);
    digitalWrite(IN4, paso[paso_actual][3]);

    // Avanzar al siguiente paso en la secuencia
    paso_actual++;
    if (paso_actual >= 4) {
      paso_actual = 0;  // Volver al paso 0 después del paso 3
    }

    // Guardar el tiempo de este paso
    tiempo_ultimo_paso = millis();
  }
}

// ============================================================================
// FUNCIÓN: MOSTRAR INFORMACIÓN DE DEBUG EN SERIAL MONITOR
// ============================================================================
void mostrarDebug() {
  Serial.print("Pulsos: ");
  Serial.print(velocidad_encoder);
  Serial.print(" | Delay Motor: ");
  Serial.print(delay_motor);
  Serial.print("ms | Estado: ");
  
  if (velocidad_encoder == 0) {
    Serial.println("PARADO");
  } else {
    Serial.println("GIRANDO");
  }
}

// ============================================================================
// FIN DEL CÓDIGO
// ============================================================================

Correcciones



Pruebas



Proyecto final

El prototipo final se compone de dos brazos que atraviesan por su punto medio el eje vertical de giro, generando contrapeso en ambos lados con las baterías del mismo sistema y el segundo brazo que sostiene el trazador, esto como manera de garantizar el equilibrio del sistema independientemente del peso de los componentes ubicados en los extremos.

Vista general, modelado digital de la máquina

La estructura trabaja en posición vertical, como una viga, para ganar rigidez frente a los esfuerzos del movimiento.

Sobre el Brazo A se ubican todos los componentes electrónicos: el Arduino Nano en protoboard, el driver ULN2003 y las dos baterías, evitando así caídas de voltaje que afecten el rendimiento del sistema completo.

El encoder KY-040 fija su cuerpo a la parte giratoria mientras su eje se ancla a la base, detectando el giro relativo entre ambas partes sin que los cables se enreden.

El Brazo B lleva en su extremo el motor stepper 28BYJ-48, que acciona el trazador a través de un sistema de riel sobre el cual este se ubica, facilitando el cambio de posición del trazador para la variación de los patrones.

Modelado digital, planimetrías



El sistema queda definido por tres elementos que estructuran su funcionamiento:

A — El eje vertical, el cual atraviesa ambos brazos por su punto medio y concentra el equilibrio de toda la máquina, el cual es también el punto de operación a través de él se hace girar el sistema y donde se resuelve la lectura del giro, con el encoder montado de manera que detecta la rotación sin que los cables se enreden.

B — La velocidad del Brazo A, la cual determina la forma no es la velocidad de cada brazo aislado, sino la razón entre ambas rotaciones, un giro más lento produce curvas con más lóbulos; uno más rápido las simplifica, es una variable dinámica y ocurre durante la operación misma.

C — La posición del trazador sobre el Brazo B, en cuanto más alejado del centro de giro, más amplia y abierta resulta la curva; cuanto más cercano al centro, el patrón se cierra sobre sí mismo. Es ajustable antes de operar la máquina y define el rango geométrico dentro del cual se trabajará.



Modos de operación definidos

Se definen tres modos de funcionamiento, seleccionables mediante el botón SW integrado en el encoder:

  • Modo constante: el motor gira a velocidad fija, sin responder al encoder. Corresponde al comportamiento base con el que se trabajó en etapas anteriores.
  • Modo directo: la velocidad del motor es proporcional a la velocidad de giro del Brazo A. Girar más rápido acelera el motor; girar más lento lo desacelera.
  • Modo inverso: la relación se invierte; a mayor velocidad de giro, menor velocidad del motor, y viceversa.

Estos modos no son arbitrarios: el modo constante muestra la máquina operando de forma autónoma, mientras los modos directo e inverso demuestran cómo la intervención de la persona se propaga al sistema y modifica el trazo en tiempo real.

Estado de implementación

El hardware queda definido de la siguiente manera: Arduino Nano en protoboard, motor stepper 28BYJ-48 con driver ULN2003 en pines 8, 9, 10 y 11, encoder KY-040 con CLK en pin 2, DT en pin 3 y SW en pin 4. Todo el sistema se alimenta a 5V desde el Arduino. El modo constante se encuentra implementado y funcionando.

Para implementar los modos directo e inverso, se decide utilizar interrupciones en los pines 2 y 3 para capturar los pulsos del encoder sin pérdida, y calcular la velocidad mediante millis midiendo el tiempo entre pulsos consecutivos. El modo directo se implementará primero; el modo inverso aplicará la relación inversa sobre el mismo cálculo.

Una vez definida la integración del encoder, se realizaron pruebas con el código completo que implementa los tres modos de operación, confirmando su correcto funcionamiento: el sistema responde según lo diseñado en cada modo y la transición entre ellos opera mediante el botón del encoder. A partir de estas pruebas se realizaron también ajustes a la pieza que sostiene el encoder, con el objetivo de darle mayor estabilidad al conjunto y asegurar que la lectura del giro sea consistente.

En cuanto a la alimentación, se tomó la decisión de separar las fuentes de energía en dos baterías: una dedicada al Arduino y los componentes electrónicos, y otra exclusivamente para el motor, desición que responde a la necesidad de evitar caídas de voltaje que afecten el rendimiento del motor cuando el sistema electrónico demanda corriente simultáneamente.

Con la electrónica resuelta, se organizó la ubicación de todos los componentes mediante piezas formales impresas en 3D, ordenando el conjunto de manera que el sistema quede compacto y equilibrado sobre el Brazo A. Finalmente, se ajustó la altura general del sistema para estabilizar el trazo, logrando que el marcador mantuviera contacto fluido y consistente con la superficie de dibujo.

Resultados de trazo

  • Modo constante - Giro constante
  • Modo directo - Giro rápido
  • Modo directo - Giro lento
  • Modo inverso - Giro rápido
  • Modo inverso - Giro lento
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