Integración y optimización de un sistema de extrusión de tintas biocerámicas para impresión 3D mediante un Router CNC

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Fin de Máster tiene como objetivo el rediseño, integración y optimización de un sistema de extrusión de tintas biocerámicas para su aplicación en impresión 3D mediante control numérico computarizado (CNC). Partiendo de un prototipo inicial, basado en componentes plásticos, este proyecto propone una evolución sustancial hacia un diseño robusto y funcional, utilizando componentes mecanizados en aluminio, un sistema de engranajes planetarios y controladores electrónicos adaptados a la extrusión precisa de suspensiones coloidales muy concentradas, también denominadas tintas, elaboradas a partir de polvo biocerámico, con una elevada viscosidad y que pueden ser utilizadas para la fabricación de prótesis óseas bioactivas para la regeneración del hueso natural en situaciones de lesiones óseas con pérdida de material óseo. En este contexto, se ha diseñado un conjunto mecánico que transforma el movimiento rotacional de un motor paso a paso tipo NEMA en desplazamiento lineal mediante un husillo helicoidal, activando un émbolo que fuerza la salida controlada de la tinta biocerámica a través de una boquilla. El sistema de transmisión incorpora una reductora planetaria optimizada, dimensionada mediante el software especializado KISSsoft, con base en los criterios de la normativa ANSI/AGMA 2101-D04. Este dimensionado contempla la verificación frente a los modos de fallo más comunes: esfuerzo de flexión en la base del diente y picadura por contacto superficial. Para ello se calcularon todos los factores correctores que intervienen en los esfuerzos admisibles, incluyendo efectos dinámicos, de carga, temperatura, rugosidad superficial, tamaño y seguridad. El proyecto incluye también el diseño paramétrico de las piezas con Autodesk Inventor, lo que ha permitido iterar y validar geometrías antes de su mecanizado, reduciendo la necesidad de prototipos físicos y optimizando el ensamblaje. Las piezas críticas, han sido fabricadas en aluminio mecanizado, mejorando la durabilidad y reduciendo el peso total del sistema. Complementariamente, se ha desarrollado y caracterizado una tinta biocerámica a base de hhidroxiapatita de grado médico, formulada con un control exhaustivo de sus propiedades reológicas para su impresión mediante la técnica de robocasting. Esta tinta ha sido extruida con éxito utilizando el prototipo ensamblado, validando la funcionalidad del sistema bajo condiciones reales de impresión. La integración de este extrusor en un router CNC de tipo industrial ha transformado el equipo en una impresora 3D capaz de trabajar con materiales cerámicos avanzados, abriendo la puerta a aplicaciones en medicina regenerativa, biofabricación y componentes estructurales especiales. Finalmente, el proyecto se complementa con un plan de negocio que evalúa la viabilidad técnico-económica del sistema desarrollado, abordando desde el análisis de mercado hasta la estructura de costes, estrategia comercial, modelo jurídico y financiación inicial. En conjunto, este TFM no solo constituye una mejora técnica sustancial respecto al prototipo original, sino que establece una base sólida para su futura aplicación profesional o transferencia tecnológica en el ámbito de la fabricación aditiva avanzada. [EN] This Master's thesis aims to redesign, integrate and optimise a system for extruding bioceramic inks for use in 3D printing with computer numerical control (CNC). Building on an initial prototype developed using plastic components, this thesis proposes a significant evolution towards a robust and functional design incorporating machined aluminium components, a planetary gear system and electronic controllers adapted for the precise extrusion of highly concentrated colloidal suspensions, also referred to as inks, made from bioceramic powder, with high viscosity and suitable for the fabrication of bioactive bone prostheses for the regeneration of natural bone in cases of bone injuries with material loss.. A mechanical assembly has been designed to transform the rotational movement of a NEMA-type stepper motor into linear displacement via a helical screw. This activates a plunger that controls the exit of the bioceramic ink through a nozzle. The transmission system incorporates an optimised planetary gearbox sized using specialised KISSsoft software based on the ANSI/AGMA 2101-D04 standard criteria. This sizing includes verification against the two most common failure modes: bending stress at the base of the tooth and pitting due to surface contact. To this end, all the corrective factors affecting the permissible stresses were calculated, including dynamic effects, load, temperature, surface roughness, size and safety. The project also involves using Autodesk Inventor for the parametric design of parts, enabling geometries to be iterated and validated before machining. This reduces the need for physical prototypes and optimises assembly. Critical parts have been manufactured from machined aluminium to improve durability and reduce the system's overall weight. Additionally, a bioceramic ink based on medical-grade hydroxyapatite has been developed and characterized, formulated with precise control of its rheological properties for printing using the robocasting technique. This ink has been successfully extruded using the assembled prototype, validating the system's functionality under real printing conditions. The integration of this extruder into an industrial-grade CNC router has transformed the equipment into a 3D printer capable of working with advanced ceramic materials, opening the door to applications in regenerative medicine, biofabrication, and specialized structural components. Finally, a business plan evaluating the technical and economic viability of the developed system has been created, covering everything from market analysis and cost structure to commercial strategy, legal model and initial financing. Overall, this TFM constitutes a substantial technical improvement on the original prototype and establishes a solid basis for its future professional application or technology transfer in the field of advanced additive manufacturing.