Exercicis: La impressió 3D

Explica amb les teves paraules com fabrica una impressora 3D de filament: d'on surt el material, com es diposita i per què es diu que construeix «capa a capa». Compara-ho amb esculpir una figura d'un bloc de fusta: quina diferència fonamental hi ha entre afegir i treure material?

La figura mostra el flux complet des de la idea fins a la peça impresa, però el pas central està tapat.

Explica què passa en el pas tapat —l'anomenat «laminatge»—: què fa el programa laminador amb el model (tallar-lo en capes fines) i quin fitxer genera per a la impressora. Raona per què no es pot connectar el model 3D directament a la impressora sense aquest pas.

El material més utilitzat a les impressores de l'aula és el filament PLA, una bobina de «fil» de plàstic. Explica què li passa a aquest filament dins de la impressora (es fon, es diposita i se solidifica) i anomena dues raons per les quals el PLA és el material preferit als centres escolars.

Abans d'imprimir, el model es guarda en un fitxer anomenat STL. Explica què creus que conté aquest fitxer (la descripció de la superfície de la peça mitjançant petits triangles) i per què aquest fitxer serveix per a qualsevol impressora, sigui de la marca que sigui.

El programa laminador genera un fitxer amb les ordres exactes per a la impressora, anomenat G-code. Sense entrar en el codi, explica quin tipus d'ordres creus que porta: què li diu a la impressora sobre els moviments del capçal, la temperatura i la quantitat de filament que ha de sortir a cada moment.

Anomena tres objectes quotidians que tingui sentit imprimir en 3D en un institut i explica per a què serveix cadascun: pensa en recanvis (un pom trencat), material de classe (un model de molècula) i objectes personalitzats (un clauer amb el teu nom). Què tenen en comú aquests tres casos?

La impressió 3D no és màgica: una peça d'uns centímetres pot trigar dues hores, la mida està limitada per la base de la impressora i les peces són menys resistents que les de plàstic injectat. Explica cadascun d'aquests tres límits i posa un exemple d'objecte que NO imprimiries per cadascun.

La impressora de l'aula treballa amb un broquet molt calent i peces mòbils. Redacta quatre normes de seguretat i de convivència per utilitzar-la a classe: què no s'ha de tocar mentre imprimeix, qui retira la peça i quan, què fem amb les restes de filament i per què no es deixa imprimint sense vigilància.

Aquests passos del procés d'impressió estan desordenats: (a) carregar el fitxer a la impressora i començar, (b) exportar el model com a STL, (c) dissenyar la peça al programa de CAD, (d) obrir l'STL al laminador, triar l'alçària de capa i generar el G-code, (e) esperar que la peça es refredi i retirar-la de la base. Ordena'ls i explica què sortiria malament si et saltessis el pas (d).

La figura mostra una peça cònica vista de costat, tal com queda construïda per capes de filament.

Explica, mirant la figura, com s'ha construït la peça capa a capa, per què els laterals corbs queden com una escala de graons i què passaria amb aquests graons si imprimíssim amb capes de $0,1\ \text{mm}$ en comptes de $0,2\ \text{mm}$ (i què pagaríem a canvi).

El laminador permet triar l'alçària de capa: $0,3\ \text{mm}$ (esborrany) o $0,1\ \text{mm}$ (qualitat fina). Una peça de $30\ \text{mm}$ d'alçària necessita amb cada ajust un nombre de capes diferent: calcula quantes capes són en cada cas i raona quin ajust triaries per a (a) un prototip ràpid per provar la mida i (b) la peça final d'un regal.

Les peces impreses no surten massisses: per dins porten un entramat anomenat farciment (infill), per exemple al $20\ \%$. Explica quin avantatge té imprimir així (temps i filament estalviats) i raona quin percentatge de farciment triaries per a (a) una figura decorativa i (b) un ganxo que ha d'aguantar una motxilla penjada.

La primera capa és la més important: si no s'enganxa bé a la base, la peça es deixa anar a mitja impressió i tot es fa malbé. Explica quins trucs ajuden a fer que s'enganxi (la base calenta, començar a poc a poc, afegir una «faldilla» al voltant de la peça) i què faries si veus que una cantonada de la peça comença a aixecar-se.

Una figura amb els braços en creu no es pot imprimir tal com raja: el filament no s'aguanta a l'aire. Explica què són els suports, per què la lletra T impresa de bocaterrosa els necessita als extrems i quines dues estratègies permeten evitar-los (canviar l'orientació de la peça o dividir-la en dues parts que s'enganxen després).

Un clauer triga $40\ \text{min}$ i fa servir $6\ \text{g}$ de filament. Calcula, amb proporcionalitat senzilla: (a) quant trigaran i quant de filament gastaran els $25$ clauers de la classe i (b) quants clauers surten, com a màxim, d'una bobina de $1\ \text{kg}$ si descomptem un $10\ \%$ de filament que es perd en proves i suports.

En obrir un fitxer de G-code es veuen milers de línies amb coordenades i temperatures. Sense saber el llenguatge, raona quina informació s'ha de repetir en aquestes línies (on es mou el capçal i quant de material expulsa) i explica per què un petit error a les primeres línies (per exemple, l'alçària inicial) pot arruïnar tota la peça.

Per al clauer del curs hi ha dues opcions: imprimir-lo en 3D o retallar-lo en fusta amb la serra de calar. Compara tots dos processos en temps per unitat, precisió, residu que genera cadascun i possibilitat de personalitzar cada clauer amb un nom diferent, i conclou quin triaries per a $30$ unitats personalitzades.

Una impressió ha sortit malament: la peça s'ha desenganxat de la base a mig treball i hi ha fils fins de plàstic entre les torres de la figura. Diagnostica la causa probable de cadascuna de les dues fallades per separat i proposa una solució concreta per a cadascuna, explicant quin ajust del laminador o de la impressora tocaries.

Una peça allargada amb un sortint es pot tombar o imprimir dreta. Analitza les dues orientacions: en quina les capes queden en la direcció que més resisteix quan es doblega la peça, en quina calen suports per al sortint, i tria l'orientació final raonant entre resistència, suports i temps d'impressió.

Has dissenyat un portallapis amb figures i ganxos que sobresurten horitzontalment de les vores. En laminar el model, descobreixes que requereix una gran quantitat de suports, cosa que arruïnarà l'acabat superficial i augmentarà molt el temps d'impressió. Proposa dues estratègies geomètriques de redisseny diferents perquè l'objecte es pugui imprimir en FDM completament sense suports, i justifica tècnicament per què cadascuna de les teves solucions evita que el filament caigui al buit.

Un company afirma: «D'aquí a pocs anys les fàbriques tradicionals tancaran perquè sortirà més barat que cada família imprimeixi a casa en 3D tot el que necessiti, des d'unes vambes fins a un mòbil o una vaixella». Rebat tècnicament la seva afirmació aportant tres limitacions de la impressió 3D domèstica enfront de la fabricació industrial en massa, i defensa dues situacions reals on la impressió 3D sí que resulta clarament superior a una fàbrica.

S'ha trencat el botó giratori del selector d'un microones. La peça original costa $18\ \text{€}$, mentre que imprimir-ne un duplicat en PLA al taller costa només $0,50\ \text{€}$ de filament. Avalua críticament la viabilitat de fabricar aquest recanvi: analitza dos avantatges clars enfront de comprar l'original, dues dificultats o limitacions tècniques reals (mecàniques, tèrmiques o de disseny) que poden fer que la peça falli, i conclou justificant quines condicions ha de reunir una peça domèstica perquè valgui la pena fabricar-ne el recanvi a casa.

Una bobina de PLA de $1\ \text{kg}$ costa $22\ \text{€}$. Cada peça del projecte pesa $12\ \text{g}$, però cal descomptar un $15\ \%$ de la bobina que es perd entre purgatges, suports i peces fallides. Calcula quantes peces útils surten d'una bobina, quant costa el material de cada peça i quantes bobines cal comprar per a tot el curs de $60$ peces, amb el cost total.

L'institut vol crear un petit «taller de fabricació digital» amb una impressora 3D compartida entre diversos cursos. Dissenya'n l'organització: com es demanen les feines i en quin format arriben els fitxers, qui revisa que les peces siguin imprimibles abans d'encuar-les, com es reparteix el cost del filament i quina norma de terminis evita que tothom imprimeixi la vigília del lliurament.

Repte del tema. Cansat del desordre de cables a la teva taula d'estudi? Dissenya un suport organitzador personalitzat fent servir Tinkercad i prepara la seva fitxa de fabricació.

1. Presa de mides: Amb un regle, mesura el gruix del tauler del teu escriptori (per exemple, $2,5\text{ cm}$) i el diàmetre dels teus cables (ex. $4,0\text{ mm}$).

2. Modelatge CAD: Crea la teva peça a Tinkercad ajustada a aquestes cotes reals. Fes servir operacions d'agrupació (sòlids i buits) per encaixar la pinça a la taula i guiar els cables.

3. Estratègia d'impressió 3D: Redacta una breu fitxa tècnica on triïs el material adequat (com ara PLA), la densitat de farciment ($20\,\%$) i l'alçària de capa ($0,2\text{ mm}$). Raona en quina orientació col·locaries la peça al llit d'impressió per evitar l'ús excessiu de suports.

4. Producte final: Lliura una captura del teu disseny amb les seves cotes principals i la fitxa tècnica justificant les teves decisions de disseny i fabricació.

Es valorarà:

• Coherència dimensional del disseny respecte a les mides reals preses.

• Ús adequat d'eines de disseny assistit (alineació, agrupació i buits).

• Justificació tècnica raonada dels paràmetres d'impressió 3D per optimitzar temps i material.