Transformació d'una màquina de tecnologia additiva per a la fabricació d'scaffolds

Grup de Recerca en Enginyeria de Producte, Procés i Producció de la Universitat de Girona té en les seves instal•lacions una RepRap model Prusa Mendel. Un dels seus àmbits d’investigació és el sector mèdic. Una de les aplicacions més innovadores de les tecnologies additives, emmarcada dins del camp mèdic, és la fabricació de scaffolds. En la medicina regenerativa, els scaffolds s’utilitzen com estructures biodegradables implantables que serveixen de base per a la correcte reproducció de teixit a partir de cèl•lules no diferenciades. L’objecte del projecte és aconseguir fabricar scaffolds amb la Reprap. Per tald’assolir aquest objectiu final caldran molts passos previs. En el moment que s’inicia elpresent projecte la RepRap té tots els seus components muntats, el cablejat instal•lat i el firmware inicial a la placa. Així, en primer lloc cal obtenir una correcta comunicació entre la màquina i l’ordinador a través del qual es podrà accedir a la placa per tal de realizar ajustaments. Una vegada la màquina obeeixi les ordres de moviment en la magnitud i la direcció desitjada serà el moment d’ajustar els paràmetres propis de la impressió. Aquests varien en funció de l’extrusor i el material a utilitzar. En aquest punt es passarà a dissenyar i fabricar diferents tipus de scaffolds variant les estratègies i les geometries. Aquests dissenys seran testats mecànicament a compressió. També seran analitzats geomètricament i se’n determinarà la porositat. Finalment, a partir de l’anàlisi dels resultats s’intentarà trobar una relació entre les diferents formes geomètriques, les porositats i la resistència

Sulautetun ohjausjärjestelmän kehittäminen 3D-tulostimelle

Kandidaatintyössä tutkittiin Adam Klodowskin tutkimuksessa käytetyn menetelmän soveltuvuutta 3D-tulostimen mekanismiin. Tutkimustyö liittyy RepRap-projektiin, jonka tavoitteena on valmistaa 3D-tulostin 3D-tulostetuista osista. Mekaniikasta oli luotu matemaattinen malli, jota tutkittiin simuloinnin avulla. Työssä toteutettiin täysin yksilöity sulautettu ohjausjärjestelmä kyseiselle mekanismille ja tutkittiin järjestelmän soveltuvuutta käytäntöön. Tavoitteena oli vähentää komponenttien lukumäärää ja pienentää laitteiston vaatimaa tilaa.

Design e gestão de sistemas, robótica, redes e médias interativos

Este relatório pretende ilustrar a experiência profissional obtida, principalmente após a conclusão, em 1998, da Licenciatura em Engenharia de Sistemas e Computadores na Universidade da Madeira. Esta experiência circunscreve-se à proficiência nas áreas de redes de comunicação de dados, automação e robótica e desenvolvimento de média interativos (tanto na vertente de CD-ROMs como orientado à Internet). Embora também disponha de experiência no ensino destas áreas citadas, foram privilegiados os projetos com uma relevância mais técnica atendendo à natureza deste mestrado. Sendo assim, são apresentadas nestas quatro áreas primeiro uma descrição dos projetos realizados no âmbito do percurso profissional, para depois descrever uma implementação (relativa a cada área) utilizando uma metodologia científica que fora alvo de estudo na componente letiva deste mestrado, salientando as virtudes e defeitos de ambas as abordagens e comparando os resultados obtidos. Em síntese, é analisado o projeto de gestão de sistemas de redes das Escolas Secundárias Francisco Franco e Jaime Moniz (no âmbito do desempenho das funções de Diretor das Instalações Informáticas em ambas as instituições) culminando numa proposta de implementação utilizando equipamentos da Cisco; é analisado o projeto de CD-ROM sobre a Reserva Natural das Ilhas Desertas para depois completar um jogo educativo utilizando uma metodologia científica de Game Design; são descritos os websites desenvolvidos (com especial ênfase nos realizados enquanto técnico superior de informática na Secretaria Regional do Ambiente e dos Recursos Naturais) para concluir com uma proposta de implementação de um sistema de marcação de reuniões orientado para a Cloud; finalmente, é descrito a utilização dos kits Lego Mindstorms para o ensino da programação, propondo uma implementação de baixo custo (alternativa) baseada num Raspberry Pi e componentes acessórios (tanto estandardizados como construídos com uma RepRap). Em suma, é contraposto o rigor e método do ensino académico com o pragmatismo e metas de produtividade exigidas no mercado de trabalho.

THE USE OF LIFE-CYCLE ANALYSIS TO REDUCE THE ENVIRONMENTAL IMPACT OF MATERIALS IN MANUFACTURING

This thesis is composed of three life-cycle analysis (LCA) studies of manufacturing to determine cumulative energy demand (CED) and greenhouse gas emissions (GHG). The methods proposed could reduce the environmental impact by reducing the CED in three manufacturing processes. First, industrial symbiosis is proposed and a LCA is performed on both conventional 1 GW-scaled hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H)-based single junction and a-Si:H/microcrystalline-Si:H tandem cell solar PV manufacturing plants and such plants coupled to silane recycling plants. Using a recycling process that results in a silane loss of only 17 versus 85 percent, this results in a CED savings of 81,700 GJ and 290,000 GJ per year for single and tandem junction plants, respectively. This recycling process reduces the cost of raw silane by 68 percent, or approximately $22.6 and $79 million per year for a single and tandem 1 GW PV production facility, respectively. The results show environmental benefits of silane recycling centered around a-Si:H-based PV manufacturing plants. Second, an open-source self-replicating rapid prototype or 3-D printer, the RepRap, has the potential to reduce the environmental impact of manufacturing of polymer-based products, using distributed manufacturing paradigm, which is further minimized by the use of PV and improvements in PV manufacturing. Using 3-D printers for manufacturing provides the ability to ultra-customize products and to change fill composition, which increases material efficiency. An LCA was performed on three polymer-based products to determine the CED and GHG from conventional large-scale production and are compared to experimental measurements on a RepRap producing identical products with ABS and PLA. The results of this LCA study indicate that the CED of manufacturing polymer products can possibly be reduced using distributed manufacturing with existing 3-D printers under 89% fill and reduced even further with a solar photovoltaic system. The results indicate that the ability of RepRaps to vary fill has the potential to diminish environmental impact on many products. Third, one additional way to improve the environmental performance of this distributed manufacturing system is to create the polymer filament feedstock for 3-D printers using post-consumer plastic bottles. An LCA was performed on the recycling of high density polyethylene (HDPE) using the RecycleBot. The results of the LCA showed that distributed recycling has a lower CED than the best-case scenario used for centralized recycling. If this process is applied to the HDPE currently recycled in the U.S., more than 100 million MJ of energy could be conserved per annum along with significant reductions in GHG. This presents a novel path to a future of distributed manufacturing suited for both the developed and developing world with reduced environmental impact. From improving manufacturing in the photovoltaic industry with the use of recycling to recycling and manufacturing plastic products within our own homes, each step reduces the impact on the environment. The three coupled projects presented here show a clear potential to reduce the environmental impact of manufacturing and other processes by implementing complimenting systems, which have environmental benefits of their own in order to achieve a compounding effect of reduced CED and GHG.

Desarrollo de un equipo de investigación de impresión 3D por fotopolimerización, mediante tecnología DLP

En este trabajo se hace una investigación de la tecnología de impresión 3D mediante fotopolimerización de resinas, usando un proyector DLP como fuente de luz. El objetivo es conocer todas las especificaciones que ha de cumplir una máquina de éstas características para llevar a cabo de manera satisfactoria el proceso de construcción de una pieza. Para ello, se hace un estudio preliminar de la técnica, examinando un equipo de impresión 3D DLP comercial, y una vez que se tiene el conocimiento necesario de los rasgos del proceso, se procede al desarrollo iterativo de un prototipo funcional, capaz de ejecutar el proceso con éxito, pero con las capacidades de modificación suficientes como para llevar a cabo experimentos de innovación en la tecnología. El desarrollo se lleva a cabo en abierto, publicando los desarrollos a medida que se efectúan. Con este enfoque se pretende aprovechar las ventajas de la investigación descentralizada, de las que dio ejemplo el desarrollo del Proyecto RepRap: Un proyecto destinado a diseñar una impresora 3D de extrusión de filamento, que cualquier persona se pudiera construir a partir de piezas impresas por impresoras 3D de las mismas características, y materiales fáciles de obtener. Así, este proyecto tiene adicionalmente otro objetivo estratégico que consiste en el estímulo del ecosistema de impresión 3D de fuente abierta, que en este momento carece apenas de diseños de fuente abierta de impresoras 3D mediante fotopolimerización de resinas. Efectuando una estrategia así se busca fomentar la difusión del conocimiento acerca de la tecnología de impresión 3D DLP y crear así un interés por ésta, que finalmente desembocaría en la aparición de una demanda que, para entonces, la empresaestaría preparada para cubrir. Como la técnica consiste en un caso particular de la tecnología de impresión 3D que aún no ha terminado de proliferar en el mercado, y el conocimiento acerca de ésta no está extendido; en este documento se introducen de manera gradual los conceptos necesarios para entender el proyecto. Presentaremos en un primer lugar el contexto de la impresión 3D, comentando un breve análisis de todas las técnicas susceptibles de ser llamadas «impresión 3D», así como una introducción a conceptos comunes a todas aquellas, usando la impresión 3D de extrusión de filamento como ejemplo por ser la técnica más extendida. Una vez presentada la impresión 3D en general, se analizará el estado del arte de la impresión 3D mediante fotopolimerización de resinas, haciendo una breve clasificación de las variantes existentes, en cuanto a proceso de construcción se refiere, para poder concretar las características de la variante estudiada en este proyecto. Con eso dicho, se procede a describir la técnica en detalle, puntualizando las fases del proceso que estas impresoras llevan a cabo para construir una pieza; y la constitución básica de una máquina destinada a ejecutar ese proceso, deteniéndose en cada uno de los componentes necesarios. Descrita la tecnología y el estado del arte, dedicamos un capítulo a comentar el contexto del proyecto en el ecosistema de fuente abierta, situando al Proyecto RepRap como antecedente. Se llega a unas conclusiones de especificación, que tiene como consecuencia una serie de características de diseño y elección de herramientas, todas éstas descritas en éste capítulo. Después de toda esta introducción, comenzamos a detallar lo ocurrido durante el proyecto, comenzando por la investigación previa al desarrollo de los prototipos. Se describen las características del prototipo comercial adquirido al principio, haciendo hincapié en las adiciones de éste al modelo básico; y después se explica la situación delecosistema de impresión 3D DLP de fuente abierta, comentando las herramientas delas que se dispone a la hora de construir un equipo de estas características. Teniendo explicadas todas las herramientas disponibles para diseñar y construir unequipo con las características que hemos definido, se procede a explicar el desarrollo iterativo que se ha llevado a cabo en este proyecto, reseñando cada uno de los prototipostanto de la máquina general como específicos de cada uno de sus componentes. Se describirán los criterios y experimentos que llevan a cada una de las decisiones dediseño de los componentes, hasta que se concluye en un diseño que cumple los requisitos para llevar a cabo el proceso de construcción de manera exitosa. El diseño resultante de las iteraciones tuvo que pasar una serie de validacionesnecesarias para obtener una especificaciones de utilización que permitieran estabilizar el proceso de impresión, de manera que no fuera necesaria una preocupación especialpor el éxito de este. Tras describir el último prototipo de la máquina, se comentan los experimentos que se llevan a cabo, se hace una pequeña introducción en defectologíade piezas impresas con ésta tecnología, y se explican las características que se quieren optimizar para conseguir que el proceso sea estable, concluyendo con la especificaciónde éstas. Como capítulo adicional, se describen las líneas futuras. Usos que se han hecho deldiseño para formación dentro de la empresa, e investigaciones en nuevas modalidades del proceso y aplicaciones de la tecnología.