Bici con Motor de Esmeril Casera: Un Proyecto de Biofabricación Digital

A veces, subestimamos el potencial de los objetos que consideramos desechos. En lugar de desecharlos sin más, podemos darles una segunda vida, contribuyendo a la protección del medio ambiente y fomentando un consumo más responsable. En este contexto, la biofabricación emerge como un cambio de paradigma en la producción y el consumo, promoviendo una economía circular y sustentable basada en materiales orgánicos y biodegradables.

En el FabLab, se ha propuesto la creación de 6 máquinas como parte de un kit Open Hardware de Biofabricación Digital, el primero de su tipo a nivel mundial. Este proyecto innovador busca utilizar desechos del laboratorio, de la Facultad, así como residuos domiciliarios e industriales.

Durante enero y febrero de 2019, se trabajó en el primer prototipo de esta máquina. A continuación, se detallan los aspectos clave del hardware y software involucrados.

Hardware: Componentes y Diseño del Prototipo Inicial

Para el prototipo inicial, se seleccionó un número limitado de materiales, incluyendo agar-agar, residuos de café, gelatina en polvo, agua y glicerina. El funcionamiento de la máquina se dividió en tres procesos principales: dispensado de material particulado, dispensado de agua y dispensado de glicerina.

El material que se usará para construir la estructura son perfiles de aluminio para máquinas CNC, debido a que este sistema permite una construcción modular rápida. Además de tener la característica de estar formado por aluminio, material fácilmente reciclable, lo que promueve la enconomia circular.

Dispensado de Material Particulado

Para el pesaje del material granulado, se utilizará la gramera empleada en el prototipo anterior. La olla se ubicaría debajo de la gramera, con movimiento restringido en el plano horizontal mediante piezas de aluminio fabricadas en el FabLab. Esta olla se calentaría mediante una cocina de inducción, la cual se espera reparar y modificar para su control desde el Arduino Mega.

Se usará el mismo sistema para todos los materiales granulados que sean utilizados. Este sistema consta de una secuencia de pasos a realizar para lograr tener la cantidad necesaria y depositarla en la olla.

Como se explicó en la sección anterior, para dispensar el material, se utiliza el mismo sistema del prototipo, el cual consiste en un tornillo sin fin puesto de forma horizontal, el cual, al girar, empuja el material hacia un agujero en la carcasa del tornillo por donde el material cae. Este tornillo sin fin es accionado por un motor nema 17 y se puede ver de forma más clara su funcionamiento en la Figura 4, 5 y 6. Para este proyecto en específico se usarán cuatro (4) de estos tornillos, permitiendo el uso de cuatro (4) materiales granulados distintos. Todo esto estará ubicado sobre la olla, protegido del calor con aislación.

Para depositar el material en la olla se tienen dos ideas. La primera idea considera que la gramera esté unida por la parte superior a un recipiente en el cual se depositaría el material granulado y, al finalizar el pesaje, la gramera giraría en 180° en el eje "Y" mediante un motor servo para depositar el material en la olla y volviendo, luego de esto, a la posición original en espera del siguiente uso. El boceto de este sistema se puede observar en las Figuras 7 y 8. La ventaja de este sistema consistía en su simplicidad debido a que, generalmente, los sistemas simples, si son bien diseñados, suelen presentar menos fallas que los complejos.

La segunda opción se piensa en que le material granulado se deposite sobre una superficie delimitada por paredes móviles, éstas se podrían mover gracias a un servomotor fijo que accionaría un sistema biela-manivela, el cual movería las paredes. La idea detrás de este sistema es que, al moverse las paredes, éstas empujen el material granulado a un agujero que tenga las mismas dimensiones del área delimitada por la pared, de esta forma el ingrediente caería a través de este agujero a la olla; la gramera sostendría todo este sistema. El funcionamiento de este sistema se puede observa de mejor forma en el boceto presentado en las Figuras 9 y 10.

Luego de decidir usar la segunda opcion se procede a diseñar el modelo con mayor detalle, se decide usar un servomotor standar HS-311, este se carácteriza por tener un torque a velocidad ángular 0 igual a 3.7 [kgN*cm] (Stall Torque), además de tener un ángulo de giro de 202,5°, lo que es suficiente para este caso, además ocupa un voltaje de entre 4.8-6.0 [V] por lo que es similar al voltaje que ocupa arduino, además de poder ser controlado a través de señal PWM proveniente del arduino. Dado esto se procede a hacer el diseño CAD de este dispositivo con lo que se llega a lo que se observa en la Figura 11. Se puede observar en esta que primero se tiene una especia de plano inclinado por donde el materical cae hace el recipiente, se estima que el torque máximo que tendría que soportar el servo es de 1.8 [kgN*cm] dado que se estima que el peso máximo del contenido es 500 [gr] y además que el coeficiente de roce de este con la superficie es 2 (se toma el máximo coeficiente de roce entre superficie que normalmente pordría existir) y finalmente el brazo del servo es de 1.8 cm. Se observa que según la información antes descrita sobre el servo este tiene el torque suficiente.

Se trata de hacer las paredes que contendrían el material lo más chicas posible, esperando de esta manera que el largo total de la estructura sea el menor, esto es importante dado que este conjunto tiene que compartir un espacio bastante pequeño con el sistema encargado de bajar el agitador, esto se verá con más detalle en la sección donde se hable del ordenamiento de las piezas.

Buscando lo anterior da como resultado necesitar un plano inclinado para que el material caiga en una recicpiente lo mas corto posible. Después de esto se determina la distribución de los tornillos que se puede observar en la Figura 12. Se tiene esta distribución de los tornillos sin fin porque permite que la salidas del material queden lo más cerca posible una de otras como se puede observar en la Figura 13, además se tiene que incluir un especia de conducto de tal forma que los recipientes tengan espacio para ser colocados. Este conducto esta en duda si es lo suficientemente amplio, lo que tiene que ser demostrado de forma empírica (trabajo que no se realizó), La carcasa será fabrica mediante impresora 3D usando PLA.

Finalmente se decide que los contenederos serán botellas de vidrio reutilizadas, por lo tanto la boquilla donda esta botellas serían colocadas tienen que ser diseñadas de forma diferente según el tipo de botella que se logre reciclar, estas boquilla pueden entrar fácilmente en el la entrada del conducto del tornillo sin fin, el diseño de esta se puede observar en las Figuras 14 y 15. La boquilla será fabricada mediante impresora 3D en PLA, mientras que la válvula y la perilla sería impresas en resina debido a que estas necesitan una mayor resistencia.

Inyección y Medición del Agua

Para la inyección y medición del agua, se acopla un motor DC a una bomba hidráulica del tipo centrífuga construida en el FabLab. Se necesitan dispensar agua en cantidades del orden entre 100 ml y 300 ml con la mejor precisión posible, ya que un cambio a más de 5 ml en la receta podría provocar grandes cambios en el biomaterial resultante.

En el primer prototipo de la máquina se analizaron varias ideas como por ejemplo, un sistema por goteo que consistía solo en dejar o no caer agua, cerrando o abriendo una válvula, sin embargo, se descartó porque no había forma precisa de calcular la cantidad de agua que cayera. Otra idea fue el mismo sistema, pero incluyendo sensores de nivel de agura (un sensor de nivel de agua gener aun True o False dependiendo si el agua pasó o no el nivel en donde se posiciona el sensor), pero se descartó también dado que implicaba niveles de agua discretos y la precisión de este método dependía directamente de la cantidad de sensores que se tuvieran.

Inicialmente, se realizan pruebas simples con un microcontrolador (Arduino Nano), un transistor, una bomba de agua y una fuente de poder. Se utiliza un transistor tipo mosfet como un amplificador de una señal pwm (generada por el microcontrolador) con una fuente DC (fuente de poder) como ganancia. La señal pwm alimenta la bomba de agua y se mantiene un ciclo de trabajo constante. Se presume que, a un voltaje fijo de alimentación, la bomba tendrá un caudal de agua constante, entonces solo bastaría controlar el tiempo en que la bomba esté activa, para controlar el volumen de agua dispensado. Entonces, de esta forma se hace funcionar la bomba durante una cantidad constante de tiempo y se mide la cantidad de agua dispensada con un recipiente graduado y se repite el proceso en reiteradas ocasiones.

Dado estos resultados, se observan dos errores en el sistema. El primero es que, al apagar la fuente de alimentación de la bomba de agua (al terminar el tiempo dado para dispensar agua), el motor seguía girando por su propia inercia, por o que seguía dispensando agua, entonces durante ese lapso de tiempo, se dispensaba una cantidad indeterminada de agua que variaba de prueba en prueba, lo que claramente agregaba un error aleatorio al sistema. Este primer error se elimina agregando una válvula (una válvula de agua cierra o abre el paso de agua rápidamente) a la salida de la bomba de agua, entonces cuando se apaga la fuente de la bomba, la siguiente instrucción del microcontrolador es cerrar la válvula y así evitar que se siga dispensando agua por inercia del motor.

La idea para solucionar este problema fue implementar un controlador PID para la velocidad de giro del motor de la bomba de agua, de esta forma se le exige al motor girar siempre a la misma velocidad, sin importar la cantidad de masa de agua que lleve la turbina, es decir, sin importar la carga mecánica sobre el eje del motor. Esto, ya que en casos que haya una mayor o menor carga sobre el eje, el controlador PID ajustará la velocidad rápidamente a la velocidad que se quiera, aumentando o disminuyendo el voltaje de alimentación (señal pwm) según corresponda. Entonces, al lograr fijar la velocidad de giro del motor en todo momento, se podría también fijar el caudal de agua y, por lo tanto, se podría controlar el volumen de agua dispensado solo controlando la cantidad de tiempo en que la bomba esté activa. Sim embargo, esta idea requería indispensablemente de un "encoder" (enconder es utilizado para medir la posición, velocidad o dirección de giro de un motor) para medir las revoluciones del motor, pero dado el diseño físico de la bomba de agua, era imposible implementarlo.

Dada esta posible solución, se comienza extrayendo la tapa original de la bomba de agua, se toman las medidas correspondientes y se diseña un modelo en 3D para luego imprimir la pieza tal que cumpla con las restricciones necesarias para adaptar un encoder al motor de la bomba. Se decide utilizar un sensor de Efecto Hall y un imán diametral de neodimio para construir el encoder. Entonces, el diseño original de la tapa debe ser modificada para que en su interior, encaje una hélice (para la turbina de la bomba) que contenga un imán (Ver Figura 20) y que además por el exterior de la tapa encaje el sensor de efecto Hall tal que esté directamente expuesto al campo magnético del imán. Dada la complejidad de la pieza, fueron necesarias muchas iteraciones e intentos para desarrollarla de forma correcta. Esto se puede observar en la Figura 18, en la que aparecen las 5 piezas construidas en total, para obtener en el último casi una pieza funciona...

Inyección de Glicerina

La inyección de glicerina se realiza mediante una jeringa de 20 ml, cuyo émbolo es movido por un mecanismo en el que un motor paso a paso provoca el giro de un husillo, el cual mueve una tuerca unida al émbolo.

Sistema de Mezclado

Para revolver el contenido de la olla, se utilizaría un revolvedor con una forma que se ajuste a la superficie interior de la olla. Este revolvedor sería accionado por un motor de corriente continua con una reducción tal que la velocidad del revolvedor sea entre 2 a 0.5 revoluciones por segundo. Se opta por un motor DC, ya que no se requiere un control de velocidad de giro de alta precisión, por lo que se implementaría un sistema de control de lazo abierto.

Este conjunto estaría sujeto a un sistema que se encargaría de elevar y bajar el revolvedor. Este sistema es sumamente importante ya que permitiría un acceso cómodo a la olla, lo cual suma relevancia al considerar que se estaría trabajando en una zona donde habría superficies a alta temperatura como lo sería la olla y su contenido.

Por otro lado, se seguiría la línea del proyecto general que busca automatizar lo más posible la fabricación de biomateriales. Este sistema estaría accionado por un motor a pasos que accionaría el movimiento de un husillo, el que levantaría todo el conjunto revolvedor más motor dc de forma lineal en dirección perpendicular al suelo. Se decide usar un motor a pasos para esta tarea debido a que se tiene que controlar la altura final e inicial del conjunto.

Distribución de Componentes

Finalmente, se define la configuración en la que se distribuirán todos los componentes: los componentes electrónicos, el motor de corriente continua unido a la bomba hidráulica y el sistema de inyección se ubicarán en un compartimento en el lado izquierdo. En la parte central y derecha se ubicará la cocina de inducción, sobre la cual se colocará la olla. Encima de esta se ubicará el sistema de pesaje y, sobre este, el sistema encargado de subir y bajar el revolvedor, junto con el sistema encargado de dispensar el material sólido y sus respectivos contenedores.

Software: Control y Supervisión del Sistema

Se utilizan tres placas de desarrollo:

• Una Raspberry Pi 2B+, que actúa como servidor y centro de control entre la aplicación web y la máquina.
• Un Arduino Mega, conectado a la Raspberry Pi 2B+ y a todos los actuadores de la BioMixer. Este recibe las señales digitales desde la Raspberry Pi, las procesa y comanda los diferentes actuadores.
• Un Arduino Nano, conectado a todos los sensores, a la Raspberry Pi 2B+ y al Arduino Mega. Esta placa supervisa el funcionamiento del Arduino Mega y se comunica mediante interrupciones de hardware en caso de emergencia o necesidad de enviar información importante.

Tabla Resumen de Componentes y Funciones

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