Desarrollo de una máquina para determinar la fatiga por vibración de materiales utilizados en impresoras 3D de bajo costo.

Abstract

This report presents the design, construction and initial implementation of a mechatronic system aimed at carrying out tensile tests on 3D printing plastics (PLA, PLA+, ABS and PETG), complying with the guidelines of the ASTM D638 standard for type I specimens. and the general testing procedure [1]. The motivation for the project arises from the need identified in the Mechatronic Engineering Laboratory of the Technological University of Bolívar to have a specialized team for mechanical characterization of polymers, since the available infrastructure is mainly oriented to metallic materials and presents access limitations. and adaptation for polymers. The proposed system integrates a double column structure that improves rigidity and alignment during loading, an AC motor drive mechanism with reducer and chain transmission, and a set of wedge-type jaws to ensure grip of the specimen while minimizing slippage. and unwanted stress concentrations [2], [3]. To measure variables of interest, an S-type load cell and a data acquisition system governed by an ESP32 microcontroller are incorporated, as well as complementary sensors for environmental monitoring and displacement variables, in order to support stress analysis–. deformation and identify relevant parameters such as ultimate resistance, yield strength, elongation and fracture behavior [1], [4]. Additionally, a human–machine interface (HMI) is implemented using a TFT touch screen that guides the user through test configuration, material and fill percentage selection, crossbar positioning and execution control, incorporating safety functions such as emergency stop and limit switches [5], [6], [7]. In parallel, support software is developed that allows recording information from test tubes, viewing data in real time and exporting reports. As results of the current phase, a first functional prototype is obtained with integration of structure, transmission, HMI control and preliminary reading of sensors, along with reference values derived from external tests to guide the sizing of the system and its operating ranges [8]. Finally, future improvements related to formal calibration, reduction of metrological uncertainty, electrical encapsulation, strengthening of the data acquisition process and comprehensive comparative validation under regulatory criteria are described.

Este informe presenta el diseño, construcción e implementación inicial de un sistema mecatrónico orientado a la realización de ensayos de tracción en plásticos de impresión 3D (PLA, PLA+, ABS y PETG), cumpliendo con los lineamientos de la norma ASTM D638 para probetas tipo I y el procedimiento general de ensayo [1]. La motivación del proyecto surge de la necesidad identificada en el Laboratorio de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Tecnológica de Bolívar de contar con un equipo especializado para caracterización mecánica de polímeros, ya que la infraestructura disponible se encuentra principalmente orientada a materiales metálicos y presenta limitaciones de acceso y adaptación para polímeros. El sistema propuesto integra una estructura de doble columna que mejora la rigidez y la alineación durante la carga, un mecanismo de accionamiento por motor AC con reductor y transmisión por cadena, y un conjunto de mordazas tipo cuña para garantizar la sujeción de la probeta minimizando deslizamiento y concentraciones de esfuerzo no deseadas [2], [3]. Para la medición de variables de interés se incorpora una celda de carga tipo S y un sistema de adquisición de datos gobernado por un microcontrolador ESP32, además de sensores complementarios para monitoreo ambiental y variables de desplazamiento, con el fin de soportar el análisis de esfuerzo–deformación e identificar parámetros relevantes como resistencia última, límite de fluencia, elongación y comportamiento de fractura [1], [4]. Adicionalmente, se implementa una interfaz hombre–máquina (HMI) mediante pantalla TFT táctil que guía al usuario a través de la configuración del ensayo, selección del material y del porcentaje de relleno, posicionamiento del travesaño y control de ejecución, incorporando funciones de seguridad como paro de emergencia y finales de carrera [5], [6], [7]. En paralelo, se desarrolla un software de apoyo que permite registrar información de probetas, visualizar datos en tiempo real y exportar reportes. Como resultados de la fase actual, se obtiene un primer prototipo funcional con integración de estructura, transmisión, control HMI y lectura preliminar de sensores, junto con valores de referencia derivados de ensayos externos para orientar el dimensionamiento del sistema y sus rangos operativos [8]. Finalmente, se describen mejoras futuras relacionadas con calibración formal, reducción de incertidumbre metrológica, encapsulado eléctrico, robustecimiento del proceso de adquisición de datos y validación integral comparativa bajo criterios normativos.

Trabajo de grado -- Facultad de Ingeniería