Exercicis: Prototipatge ràpid i fabricació digital

Explica què és el prototipatge ràpid i per què convingui fabricar i provar un prototip abans de llançar la producció en sèrie d'un producte.

Aquestes etapes del procés d'impressió 3D per deposició de filament fos (FDM) estan desordenades: (a) imprimir la peça capa a capa, (b) modelar la peça en un programa CAD, (c) retirar suports i repassar l'acabat, (d) laminar el model amb un programa «slicer» que genera les trajectòries. Ordena-les i explica què es fa en cadascuna.

La figura mostra el flux de treball de la fabricació additiva, però una etapa està tapada amb un signe d'interrogació, com es mostra a la figura.

Indica quina etapa falta, quin programa s'utilitza en ella i quina informació genera perquè la impressora pugui treballar.

Explica què és un fitxer STL, quin programa el genera (el CAD en exportar el model) i quin altre programa el converteix després en instruccions per a la impressora 3D.

En la impressió FDM, què és l'alçària de capa? Explica com influeix en el temps d'impressió i en l'acabat de la superfície de la peça.

Explica què és el reblert (infill) d'una peça impresa en 3D i per què una peça al 100 % de reblert no sempre és necessària (pes, temps i material que consumeix enfront de la resistència que aporta).

Explica què és una fresadora de control numèric (CNC) i quina és la diferència fonamental del seu procés enfront d'una impressora 3D (treure material d'un bloc enfront d'afegir capes).

Explica què és el tall per làser, quins materials típics d'un taller escolar pot tallar (cartó, fusta, metacrilat) i un avantatge enfront de tallar aquestes peces a mà.

Distingeix entre fabricació additiva, fabricació sostractiva i conformat de materials, i posa un exemple de tècnica i de producte per a cadascuna de les tres.

Vols fabricar un suport de mòbil per al teu escriptori i dubtes entre imprimir-lo en 3D o tallar-lo amb làser en metacrilat. Compara totes dues opcions (geometria possible, temps, acabat, material) i justifica quina triaries.

Explica què és la fabricació sota demanda i analitza quins avantatges ofereix enfront de mantenir un gran magatzem de peces de recanvi, posant com a exemple els recanvis d'electrodomèstics antics.

Una peça de $60\ \text{mm}$ d'alçària s'imprimeix amb capes de $0{,}2\ \text{mm}$ i cada capa triga uns $30\ \text{s}$. (a) Calcula quantes capes tindrà i el temps total d'impressió, expressat en hores. (b) Calcula el nou temps si es redueix l'alçària de capa a $0{,}1\ \text{mm}$. (c) Comenta què es guanya i què es perd amb aquest canvi.

En FDM, els voladissos de més d'uns $45^\circ$ necessiten suports. Explica què és un suport d'impressió, quin problema resol i com canviaries l'orientació d'una peça amb forma de «T» per imprimir-la sense suports, justificant la teva elecció.

Compara els filaments PLA, PETG i ABS: facilitat d'impressió, resistència mecànica, resistència a la calor i a la intempèrie, i vapors durant la impressió (ventilació). Tria'n un per a una peça que viurà a la intempèrie en un jardí i justifica-ho.

Dissenyaràs una funda de mòbil per fabricar-la en sèrie. Descriu la cadena de prototips que faries abans de pagar el motlle d'injecció (maqueta de cartó, prototip imprès en 3D, petita sèrie de validació) i què valida exactament cada prototip (mida, encaix, ús real, procés).

Algunes companyies ferroviàries imprimeixen en 3D peces de recanvi de trens antics el fabricant dels quals ja no existeix. Analitza quins avantatges aporta això enfront de buscar la peça original (terminis, lots mínims, obsolescència) i quins requisits ha de complir la peça impresa per entrar en servei (material certificat, assajos, traçabilitat).

Una petita empresa vol fabricar 200 empunyadures personalitzades per a bicicleta. Analitza si li convé produir-les amb impressió 3D o amb emmotllament per injecció, tenint en compte el cost per peça, el cost del conjunt d'eines inicial, els temps i la possibilitat de personalitzar, i conclou amb una recomanació.

La impressió 3D FDM té limitacions: les peces són més febles entre capes i els voladissos grans necessiten suports. Analitza com hauries d'orientar i redissenyar una peça amb forma de «L» per imprimir-la amb la màxima resistència, justificant les teves decisions.

Una cadena d'hotels afirma en la seva memòria de sostenibilitat: «Eliminarem la compra d'accessoris plàstics (penjadors, suports i poms) a una fàbrica centralitzada d'injecció i els imprimirem en 3D sota demanda a cada hotel; així reduirem a zero la petjada de carboni del transport i mantindrem idèntica qualitat». (a) Rebat tècnicament aquesta afirmació: analitza per què el balanç energètic global i de residus de la impressió 3D distribuïda (considerant el consum energètic per peça en FDM, les estructures de suport i la logística del filament) pot resultar menys sostenible que la injecció massiva amb transport per carretera. (b) Explica quines dificultats de reproductibilitat, toleràncies dimensionals i control de qualitat apareixeran en repartir la producció entre desenes d'impressores i entorns ambientals diferents enfront d'una planta industrial certificada. (c) Justifica en quin tipus específic de components hotelers (segons lot, geometria o personalització) sí que aportaria un avantatge tècnic i ambiental la fabricació distribuïda.

Una empresa compara produir una peça per impressió 3D ($1{,}20\ \text{€}$ per peça, sense conjunt d'eines) o per injecció de plàstic (motlle de $900\ \text{€}$ més $0{,}40\ \text{€}$ per peça). (a) Calcula el cost total de cada opció per a 300 peces. (b) Calcula a partir de quantes peces compensa el motlle. (c) Decideix quin procés triaries per a 300 i per a 2000 peces, justificant la teva decisió amb els números.

Al laboratori de tecnologia heu imprès tres peces de prova amb diferents fallades característiques. Diagnostica la causa física concreta de cada problema i proposa una solució tècnica ajustant paràmetres al laminador (slicer) o condicions de la màquina: (a) Una caixa plana d'ABS de $15 \times 15\text{ cm}$ s'ha imprès amb les quatre cantonades corbades cap amunt, desenganxant-se parcialment del llit calefactat a $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ en una sala a $18\text{ }^{\circ}\text{C}$. (b) Un cilindre buit de PLA imprès a $210\text{ }^{\circ}\text{C}$ amb el ventilador de capa al $100\ \%$ presenta un acabat exterior net, però es fractura amb facilitat al mínim esforç de tracció al llarg d'un pla horitzontal entre capes adjacents. (c) Una peça amb parets sòlides presenta línies incompletes, buits interns i fragilitat després de canviar el broquet de $0{,}4\text{ mm}$ a $0{,}8\text{ mm}$ mantenint la velocitat a $60\text{ mm/s}$ i la temperatura habitual. Explica quina limitació de cabal volumètric ha provocat aquesta subextrusió i com corregir-la.

Cal lliurar 30 clauers personalitzats (cadascun amb un nom diferent) en una setmana. Dissenya el flux de treball complet: model paramètric on només canvia un text, generació de les variants, organització de la impressió (quantes peces per tanda i estimació de temps) i control de qualitat final abans del lliurament.

Un taller independent de reparació descarrega d'un repositori web el disseny 3D d'un engranatge sota llicència Creative Commons CC BY-NC-SA (Reconeixement - No Comercial - Compartir Igual) per reparar la batedora d'un client, la marca original de la qual ja no subministra recanvis. El taller factura al client $4{,}50\text{ €}$ per la peça impresa (cost del material i amortització de màquina) més $15{,}00\text{ €}$ per la mà d'obra del muntatge. A més, el tècnic redissenya el model engrossint les dents perquè suporti més parell i puja el nou fitxer al web de la seva empresa amb la menció «Tots els drets reservats». (a) Determina de manera justificada si cobrar per la peça impresa vulnera la clàusula No Comercial (NC) de la llicència. (b) Explica quines infraccions comet el taller respecte a les clàusules SA i BY en publicar la seva versió millorada, i redacta com l'hauria d'haver compartit per complir la legalitat. (c) Analitza si el fabricant de la batedora podria demandar el taller per reproduir el seu component funcional, considerant la doctrina del dret a reparar i els límits de la protecció per disseny industrial.

Un suport en forma d'«U» amb nervis interns pot fabricar-se per impressió 3D, per tall làser i plegat de xapa o per mecanització. Analitza cada opció (geometria possible, resistència, temps i cost unitari per a 1, 10 i 100 unitats) i defensa quin procés triaries per a cada quantitat.