Las tecnologías de impresión en 3D aplicadas a la creación de prototipos y a la producción

Cómo aprovechar la fabricación aditiva para construir mejores productos

Los arquitectos no construyen sin hacer modelos. Hacen planos, crean representaciones y construyen modelos tridimensionales. Aunque estas herramientas de planificación pueden simular la forma del edificio real, no existe semejanza de tamaño ni de materiales. Por tanto, excepto en el caso de edificios prefabricados o modulares, no será hasta el producto terminado cuando los materiales reales de construcción se reúnan exactamente en su configuración final. Ésa es una de las razones por las que la arquitectura tiende a ser conservadora en su cantidad de cambios. Sin posibilidad de realizar pruebas en contextos reales, resulta arriesgado introducir grandes cambios.




El desarrollo de productos es diferente. Los productos actuales se diseñan para fabricarse en miles o cientos de miles de unidades, y tanto las piezas como el producto ya montado pueden fabricarse y probarse durante todo el proceso de desarrollo. En parte, esto explica la gran tasa actual de innovación de productos. Pero también crea una enorme presión en el proceso de creación del prototipo. Los nuevos productos tienen que cumplir o superar las expectativas del comprador en un mercado muy competitivo.

En muchos casos, su propuesta de valor es precisamente su innovación, el hecho de ser diferentes a todo lo que existía antes. Por eso, tienen que diseñarse y desarrollarse rápidamente para llegar al mercado antes que sus competidores. La creación de prototipos inteligente ofrece el soporte necesario para lograr todos estos objetivos: el reto consiste en elegir el proceso de creación de prototipos adecuado para cada fase del desarrollo.

La fabricación aditiva , también conocida como impresión 3D, es un proceso que utiliza modelos CAD digitales para construir objetos físicos reales, frecuentemente en capas. La adecuación de la tecnología depende del uso final de la pieza. Un modelo conceptual de un cerebro, por ejemplo, tiene un valor médico inherente para un cirujano durante la planificación de una operación, pero nunca pasará a la fase de producción porque sólo se necesitan una o dos unidades impresas en un material similar al plástico. En otras ocasiones, la fabricación aditiva puede usarse para crear pequeñas cantidades de piezas finales totalmente funcionales realizadas en metales aptos para ingeniería.

No obstante, si es posible que la fabricación incluya un proceso como el moldeo por inyección, la impresión 3D tendrá un uso más limitado en la fase de desarrollo. En las fases más avanzadas de desarrollo de una pieza fundida o moldeada, por ejemplo, será importante probar piezas que sean idénticas (o casi) a las piezas finales de producción. Esto implicará el moldeo por inyección de prototipos de plástico o de metal de una manera repetible. Así pues, el método de fabricación del prototipo puede variar durante el proceso de desarrollo dependiendo de la aplicación, los requisitos de material, la factibilidad y otros factores.

Normalmente, en sus primeras fases el prototipo se fabrica en cantidades muy pequeñas y no necesariamente tiene que presentar todas las características funcionales de las piezas finales de producción. Como la selección del material y la estructura interna de la pieza no son fundamentales en esta fase, los prototipos pueden fabricarse mediante distintas técnicas aditivas rápidas y asequibles.

Los usos de las piezas producidas mediante procesos aditivos incluyen:

  • Piezas finales para producción
  • Modelos funcionales
  • Ayudas visuales
  • Pruebas de ajuste y montaje
  • Patrones y componentes de moldes piloto
  • Plantillas de guías y accesorios
  • Modelos conceptuales
  • Patrones para fundición
La herramienta adecuada para cada trabajo

Cada método de creación de prototipos es adecuado para un objetivo diferente. Pongamos como ejemplo a un diseñador o ingeniero que está desarrollando un dispositivo portátil con piezas móviles. El proceso de desarrollo podría empezar con una serie de modelos CAD 3D. Éstos permiten la creación rápida y el montaje virtual de los componentes. Cuando esté listo para los primeros prototipos físicos, el diseñador podría producir prototipos aditivos a partir de los modelos CAD, optando por prototipos SL para los componentes de la carcasa debido al mejor acabado superficial de este método y por prototipos SLS para los componentes internos por las buenas propiedades materiales de este otro método. Durante el proceso de desarrollo, es posible que se sucedan varias iteraciones usando estos procesos a medida que evolucionan los diseños de la carcasa y de las piezas internas.

Cuando llegue el momento de las pruebas funcionales (comprobar cómo se comportan las piezas internas en funcionamiento y cómo resiste las caídas la carcasa), el diseñador podría enviar inicialmente los modelos CAD 3D para tener uno o varios prototipos de cada componente mecanizados en los materiales adecuados. Estos prototipos tendrían las características físicas de las piezas finales y, especialmente en el caso de la carcasa, reproducirían su aspecto estético. Para comprobaciones a mayor escala, se podrían utilizar los mismos modelos CAD para producir rápidamente piezas moldeadas por inyección con las que realizar evaluaciones físicas y de mercado. Si las pruebas demuestran que el producto está listo para salir al mercado, se podrían utilizar esos mismos moldes para producir piezas comercializables mientras se fresa el molde piloto de acero para la producción a gran escala.

Fabricar lo infabricable

Construir una pieza en miles de finas capas permite a los diseñadores de modelos CAD para impresión 3D crear geometrías muy complejas que, en muchas ocasiones, son imposibles de moldear: canales internos y orificios inalcanzables para las fresadoras radiales, o montajes completos impresos en una sola pieza. Pero, ¿qué ocurre cuando los prototipos aditivos están listos para pasar al moldeo por inyección? El paso de los prototipos de acero inoxidable creados mediante sinterizado directo de metal por láser (DMLS) al moldeo por inyección de metales (MIM) a pequeña escala es un buen ejemplo del desarrollo de un producto. Aunque las cuestiones de diseño específicas del moldeo como el ángulo de inclinación, los radios y el grosor uniforme de las paredes prácticamente carecen de importancia en la impresión 3D, en cuanto se pasa al MIM se vuelven mucho más críticas. En Proto Labs, un software automatizado identifica problemas de moldeabilidad e incluye posibles soluciones en el presupuesto interactivo. Esto puede implicar retoques de diseño, pero convierte rápidamente un prototipo impreso en una pieza lista para la producción.

Economías de escala

Todos los procesos aditivos comparten la imposibilidad de realizar producciones masivas de miles y decenas de miles de unidades. ¿Es posible que los aditivos puedan aprovechar a corto plazo las ventajas de la escalabilidad? Según Terry Wohlers, de la consultoría independiente Wohlers Associates, Inc., los sectores médico y aeroespacial están empezando a asumir mayores producciones de piezas impresas, al igual que empresas del sector dental y de la joyería. Pero, para que se produzca un cambio radical, probablemente se necesite mucho más que eso. Según Wohlers, en la actualidad los materiales aditivos plásticos son entre 50 y 100 veces más caros que los utilizados para la fabricación tradicional, no del 50% al 100% más. Así pues, por el momento la fabricación aditiva es adecuada únicamente para pequeñas cantidades. Cuando aumente la producción por equipo y disminuyan las necesidades de equipo y material, aumentará el potencial para mayores volúmenes de producción. Hasta entonces, procesos como el moldeo por inyección (que implican una inversión inicial en moldes piloto, pero reducen su precio unitario a medida que la cantidad de unidades aumenta) siguen constituyendo el paso lógico tras la creación del prototipo.

La elección de los procesos

No existe un proceso ideal para la creación de prototipos aditivos. El reto consiste en encontrar los mejores métodos de creación de prototipos para su proyecto y para cada fase de su proyecto. Entre los métodos de creación de prototipos existen diferencias en materia de velocidad, coste, aspecto, materiales disponibles y distintas características físicas. En algunos casos, lo único que usted necesita es algo que pueda sostener en la mano; en otras ocasiones, será necesario que encaje con otros componentes.

BJET Inyección de aglutinante
 

La inyección de aglutinante uno de los procesos aditivos de creación de prototipos más básico y sencillo. Un cabezal de impresión a chorro se desplaza sobre un lecho de polvo, depositando selectivamente un líquido aglutinante, y repite este proceso una y otra vez hasta formar la pieza completa. Una vez formado, se retira el polvo suelto dejando a la vista el objeto terminado.

Pros
  • Rápido
  • Barato
  • Fácil de colorear
  • Reproduce fácilmente geometrías complejas

 

Contras
  • Superficie áspera
  • Escasa resistencia
  • No apto para pruebas funcionales
  • No proporciona información sobre factibilidad

 

FDM Modelado por deposición fundida

El modelado por deposición fundida (FDM) funde y re-solidifica una resina termoplástica (ABS, policarbonato o mezcla de ABS/policarbonato) en capas para formar un prototipo terminado. Dado que utiliza resinas termoplásticas reales, es más fuerte que la inyección de aglutinante y puede ser útil para ciertas pruebas funcionales.

Pros
  • Precio moderado
  • Resistencia moderada
  • Reproduce parcialmente las características físicas del ABS o el PC
  • Reproduce fácilmente geometrías complejas

 

Contras
  • Superficie rizada
  • Idoneidad limitada para pruebas funcionales
  • Producción más lenta que con la inyección de aglutinante: pueden ser necesarios días enteros para fabricar las piezas de mayor tamaño
  • Escasa resistencia en el eje z
  • No proporciona información sobre factibilidad

 

SL Estereolitografía

La estereolitografía (SL) a un láser controlado por ordenador para construir piezas en un tanque de resinas de curado ultravioleta. A medida que el láser dibuja cada capa, se sumerge la pieza en el tanque de resina líquida para que la siguiente capa de líquido se solidifique. La calidad de la pieza terminada depende, en gran medida, de la calidad del equipo y del proceso utilizados.

Pros
  • Precios moderados
  • Excelente acabado superficial
  • Reproduce fácilmente geometrías complejas
  • Uno de los mejores acabados superficiales para un proceso aditivo

 

Contras
  • Baja resistencia
  • Validez limitada para pruebas funcionales
  • No proporciona información sobre factibilidad
  • La resina curada puede volverse quebradiza con el tiempo

 

SLS Sinterizado selectivo por láser

El sinterizado selectivo por láser (SLS) iliza un láser CO2 controlado por ordenador para fusionar capas de material en polvo, como el nailon, de abajo hacia arriba. Su resistencia es mejor que la del SL, pero inferior a la ofrecida por los procesos sustractivos como el moldeo por inyección o el mecanizado CNC. También puede resultar útil en algunos casos como método de producción.

Pros
  • Precio moderado
  • Apto para diferentes materiales
  • Gran precisión de tamaño y forma
  • Más duradero que las piezas de SL
  • Adecuado para algunas pruebas funcionales
  • Reproduce fácilmente geometrías complejas

 

Contras
  • Elección de resinas limitada
  • Acabado superficial áspero
  • No proporciona información sobre factibilidad

 

 

PJET PolyJet

PolyJet (PJET) a un cabezal de impresión para rociar capas de resina fotopolimérica que se curan, una tras otra, usando luz ultravioleta. Las capas son muy finas, lo que permite una resolución superior. El material se apoya en una matriz de gel que se retira una vez finalizada la pieza.

Pros
  • Precio moderado
  • Reproduce fácilmente geometrías complejas

 

Contras
  • Elección de resinas limitada
  • Escasa resistencia
  • No apto para pruebas funcionales
  • No proporciona información sobre factibilidad
  • Materiales costosos

 

DLP Procesamiento digital de luz

La fabricación con aditiva mediante el procesamiento digital de luz (DLP) "lonchea” digitalmente un sólido en capas, que un chip DLP de Texas Instruments proyecta, una tras otra, sobre la superficie de un baño de fotopolímero líquido. La luz proyectada endurece una capa de fotopolímero líquido que descansa sobre una placa de construcción móvil. La placa de construcción va bajando gradualmente a medida que se proyectan imágenes nuevas sobre el líquido, endureciendo cada capa posterior hasta producir el objeto terminado. El fotopolímero líquido restante se vacía del tanque, dejando el modelo sólido. El proceso puede ser útil para producir pequeñas cantidades de piezas pequeñas y muy detalladas, pero es menos adecuado para las piezas de mayor tamaño, especialmente si requieren acabados lisos.

Pros
  • Relativamente rápido
  • Precio competitivo
  • La resolución puede ser alta
  • Puede producir formas complejas

 

Contras

  • Elección de resinas limitada
  • Puede no ser adecuado para pruebas funcionales
  • No proporciona información sobre factibilidad
  • Puede producir acabados ásperos, especialmente en superficies soportadas

 

DMLS Sinterizado directo de metal por láser

Sinterizado directo de metal por láser (DMLS) es el método aditivo líder para la creación de prototipos de metal. Similar al sinterizado selectivo por láser de resina plástica, es adecuado para el uso con metales, incluidos aluminio, acero inoxidable, titanio, cromo cobalto e Inconel. Ofrece buena precisión y detalle, así como excelentes propiedades materiales. El DMLS se puede utilizar para piezas y características muy pequeñas, y dado que es un proceso aditivo, puede reproducir geometrías imposibles de mecanizar, como los espacios cerrados. Las capas pueden ser de sólo 20 micras de grosor, y las tolerancias de características pequeñas puede ser de sólo ±0,05 mm. Las operaciones adicionales en piezas producidas mediante DMLS pueden incluir perforaciones mecanizadas, ranuras, fresado y escariado, y los procedimientos de acabado incluyen anodizado, electro-pulido, pulido manual y recubrimiento de polvo o pintura.

Pros
  • Capaz de trabajar con casi cualquier aleación
  • Mismas propiedades mecánicas que las de las piezas formadas convencionalmente
  • Requiere experiencia para hacer piezas de calidad

 

Contras
  • Relativamente lento
  • Normalmente requiere un post-procesado caro
  • Puede crear geometrías imposibles de mecanizar o moldear
  • Caro

 

Externalización de la creación de prototipos

Aunque algunos de los procesos descritos se pueden realizar internamente, la mayoría de estas creaciones de prototipos se externalizan. La externalización permite al desarrollador elegir los mejores métodos para una necesidad concreta. Esto puede implicar el uso de múltiples métodos de creación de prototipos durante el curso de un único proyecto. Al seleccionar un proveedor, tenga en cuenta las necesidades y objetivos de su proyecto:

  • ¿El fabricante puede proporcionar métodos de creación de prototipos adecuados para sus necesidades específicas?
  • ¿Puede ayudarle a seleccionar el mejor método para cada fase del proceso?
  • ¿Ofrece algún tipo de asistencia al diseño?
  • Si necesita una serie de prototipos, ¿el fabricante puede proporcionar continuidad?
  • ¿Cuánta experiencia tiene el fabricante en los procesos que usted va a usar?
  • ¿Puede ofrecer la máxima calidad disponible para cada método de creación de prototipos?
  • En caso necesario, ¿puede proporcionarle operaciones auxiliares para sus prototipos?
  • Si el material es fundamental, ¿qué materiales puede ofrecer el fabricante para el método seleccionado, y si un método concreto es apto para el material que usted desea, es posible utilizar otros métodos?
  • ¿Qué plazos de entrega ofrece?
  • ¿Qué reputación tiene el fabricante en cuanto a cumplimiento de plazos de entrega?
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