Fundamentos del prototipado rápido: Una guía completa

I. Principios de formación discreta/acumulativa

La creación rápida de prototipos (RP), también conocida como fabricación rápida de prototipos (RPM), hace referencia a la creación rápida de prototipos o piezas, un término técnico especializado en el mundo académico y la industria.

Sin embargo, no sólo se refiere a la creación rápida de prototipos, sino que representa un concepto de conformación, que se refiere ampliamente al proceso de fabricación de conformación rápida, a las técnicas de conformación rápida y al software, los materiales, los equipos y toda la cadena tecnológica correspondientes. En la actualidad, la fabricación rápida (RM) está reconocida como una importante tecnología de fabricación avanzada que se refiere ampliamente a la fabricación de conformado rápido.

Académicamente, los métodos de conformado basados en el principio de conformado discreto-acumulativo se denominan colectivamente conformado rápido o fabricación rápida, es decir, la tecnología que impulsa directamente la fabricación de cualquier entidad tridimensional compleja a partir de un modelo CAD.

El proceso de conformado RP puede dividirse en procesos discretos y acumulativos, como se muestra en la figura 1. El proceso discreto descompone el modelo CAD de la entidad tridimensional en una dirección determinada, es decir, muestrea la entidad continua (superficie) en un grosor determinado, descomponiéndola en capas discontinuas, obteniendo una serie de datos transversales.

Varios procesos, de acuerdo con sus propios requisitos, procesan los datos de la sección transversal (como el llenado, la compensación, etc.) y, mediante una planificación razonable del proceso, generan la trayectoria de movimiento de la herramienta de conformado. En el proceso acumulativo, bajo el control de la trayectoria de movimiento, la herramienta de conformado procesa las capas y acumula y conecta las capas recién formadas con las piezas ya formadas. El proceso de generación de capas y conexión de acumulación se repite hasta que la pieza está completamente procesada.

La discretización y la acumulación son dos procesos únicos en la tecnología RP; la discretización es la preparación y la base de la acumulación, y la acumulación es la restauración de la discretización. Se complementan mutuamente para lograr la conformación digital de las piezas.

Evidentemente, el proceso de discretización es un proceso de tratamiento de datos, que implica la discretización de modelos CAD tridimensionales, mientras que el proceso de acumulación es un proceso de realización física que completa la estratificación y la conformación mediante el movimiento de entidades físicas.

Entre estos dos procesos, es necesario llevar a cabo una planificación razonable del proceso de acuerdo con los distintos requisitos de las diversas tecnologías de RP, basándose principalmente en las características del proceso de conformado y en los requisitos del usuario para formular razonablemente las reglas del proceso, generar trayectorias de movimiento de las unidades de acumulación y seleccionar los parámetros adecuados del proceso, etc.

Así pues, puede verse que la planificación del proceso es el puente que une el proceso de discretización (procesamiento de datos) y el proceso de acumulación (realización física), y es el proceso de procesamiento de la información el que realiza el muestreo de la información en el momento de la discretización hasta la restauración de la información en el momento de la acumulación, lo que refleja las diferencias y características de las distintas tecnologías de RP.

Recientemente, expertos del mundo académico y de la ingeniería han denominado a este método de fabricación por conformación fabricación aditiva, para distinguirlo de la fabricación sustractiva tradicional, como el mecanizado, y de la fabricación por conformación mediante moldes, como la fundición y la forja.

II. Definición de la tecnología de prototipado rápido

La creación rápida de prototipos (fabricación) es un término general para la ciencia y la tecnología que impulsa directamente el ensamblaje (acumulación) de unidades materiales a partir de datos de modelos CAD tridimensionales de productos para completar piezas de cualquier complejidad con uso funcional. El proceso básico consiste primero en completar el modelo tridimensional por ordenador (modelo digital, modelo CAD) de la pieza.

A continuación, de acuerdo con los requisitos del proceso, el modelo se discretiza en una serie de unidades ordenadas, normalmente discretizadas en la dirección Z con un grosor determinado (estratificación, corte), convirtiendo el modelo tridimensional CAD original en una serie de capas superpuestas ordenadas; después, basándose en la información del contorno de cada capa, se introducen los parámetros de procesamiento y se genera automáticamente el código CNC; por último, la máquina de conformado completa la fabricación de una serie de capas y las conecta automáticamente en tiempo real, dando como resultado una entidad física tridimensional.

Esto transforma un complejo mecanizado tridimensional en una serie de mecanizados por capas bidimensionales, reduciendo así en gran medida la dificultad del mecanizado, lo que se denomina fabricación por reducción de dimensiones. Dado que el proceso de conformado implica el apilamiento de unidades de material estándar, el proceso de conformado no requiere herramientas y útiles especiales, por lo que la dificultad del proceso de conformado no guarda relación con la complejidad de la entidad física que se va a conformar.

El núcleo y punto básico de la definición anterior reside en el accionamiento directo de datos y el ensamblaje controlado (acumulación) de materiales durante el proceso de conformado, estas características establecen la importante posición de la fabricación rápida de prototipos en la ciencia y tecnología de fabricación modernas. La rapidez de la fabricación de prototipos rápidos se basa en su flexibilidad de ensamblaje, por lo que puede decirse que el ensamblaje es la base de la rapidez de la fabricación de prototipos rápidos.

Sin necesidad de utillajes ni herramientas especializadas, basta con cambiar el modelo CAD de la pieza que se está conformando para obtener una nueva pieza conformada, con lo que se consigue la rapidez en el pleno sentido de la fabricación de piezas. El término "Rapid" en Rapid Prototyping y Rapid Manufacturing destaca el atributo más importante de las tecnologías de conformado y fabricación RP (RM), obteniendo así un amplio reconocimiento. Además, estas tecnologías también se conocen con otros nombres, como fabricación de formas libres sólidas (SFF).

III. Características de la tecnología de prototipado rápido

De acuerdo con la definición de RP, la tecnología de prototipado rápido tiene las siguientes características básicas:

1. Impulsado directamente por modelos CAD

La tecnología de prototipado rápido integra diseño y fabricación. En el proceso de prototipado rápido, los datos del modelo CAD en el ordenador se convierten mediante un software de interfaz en instrucciones CNC que pueden accionar directamente el equipo de prototipado rápido. El equipo de prototipado rápido completa el procesamiento de prototipos o piezas de acuerdo con las instrucciones CNC. Este es también el significado de accionamiento directo.

2. Capaz de fabricar entidades tridimensionales con cualquier forma compleja

La tecnología de prototipado rápido, al utilizar un proceso de fabricación por capas, discretiza entidades tridimensionales complejas en una serie de capas para su procesamiento y apilamiento, lo que simplifica enormemente el proceso de fabricación. Por tanto, en teoría, puede fabricar prototipos y piezas con cualquier forma compleja.

3. Equipos de prototipado rápido

Los equipos de prototipado rápido no requieren utillajes ni herramientas especializadas. Es una máquina universal. La tecnología de prototipado rápido no requiere fijaciones ni herramientas especializadas durante el proceso de conformado, lo que le confiere una flexibilidad extremadamente alta. Esta es una característica técnica muy importante de la tecnología de prototipado rápido. El equipo de prototipado rápido es un equipo de procesamiento universal típico.

4. Ninguna o mínima intervención humana durante el proceso de conformado

El prototipado rápido es un proceso de conformado totalmente automático, sin procesos de instalación y ajuste. Durante todo el proceso de conformado, el operario apenas necesita intervenir. Si se produce un fallo, el equipo se detendrá automáticamente, emitirá un aviso y conservará los datos actuales; cuando finalice el proceso de conformado, la máquina se detendrá automáticamente y mostrará los resultados pertinentes.

5. Los materiales utilizados en la creación rápida de prototipos son diversos

La tecnología de prototipado rápido cuenta con una amplísima gama de opciones de materiales, desde polímeros a metalesDesde los materiales orgánicos a los inorgánicos, y desde los no vivos a los vivos (células), lo que proporciona una premisa para la amplia aplicación de la tecnología de prototipado rápido.

Es posible cambiar los componentes de los materiales de conformado durante el proceso, fabricando así piezas con gradientes de material, algo difícil de conseguir con otros procesos tradicionales y que constituye una de las ventajas significativas de la tecnología de prototipado rápido frente a los procesos tradicionales. El proceso de prototipado rápido integra estrechamente la preparación del material con el conformado del mismo.

IV. Los principales procesos de la creación rápida de prototipos

Desde la aparición del primer equipo de prototipado rápido SLA-1 en 1986, han pasado casi 20 años y han surgido en todo el mundo unos veinte métodos y procesos de conformado diferentes, con la continua aparición de nuevos métodos y procesos. Los principales procesos de la tecnología de RP existente incluyen:

1. El proceso SL (estereolitografía), conocido como fotopolimerización o estereolitografía, es el proceso RP más antiguo. Forma curando resina líquida con un láser punto por punto y es actualmente el proceso de conformado de alta precisión más utilizado.

2. LOM (Laminated Object Manufacturing) o conocido como SSM (Sliceing Solid Manufacturing), conocido como proceso de fabricación de sólidos en capas, utiliza corte por láser de material de lámina, los materiales de lámina se funden mediante el calor y la presión de rodillos calientes y adhesivo térmico, y logran la unión, apilando capa por capa para fabricar prototipos.

3. El proceso SLS (Selective Laser Sintering), conocido como sinterizado selectivo por láser, utiliza un láser para sinterizar el material en polvo punto por punto, haciendo que el aglutinante sólido que cubre el material en polvo o el propio material en polvo se fundan y se adhieran, consiguiendo el conformado del material.

4. FDM (Fused Deposition Modeling) o conocido como proceso MEM (Melted Extrusion Modeling), conocido como modelado por deposición fundida o modelado por extrusión fundida, utiliza material de conformado termoplástico filamentoso, alimentado continuamente en la boquilla donde se calienta y se funde, y extruido de la boquilla, acumulándose gradualmente para formar.

5.El proceso 3DP (Three Dimensional Printing), conocido como impresión tridimensional, utiliza el chorro punto por punto de aglutinante para unir materiales en polvo y fabricar prototipos. Este proceso puede producir modelos en color y es competitivo en aplicaciones conceptuales.

6.El proceso PCM (Patternless Casting Manufacturing), conocido como fundición sin patrón, utiliza el chorro punto por punto de aglutinante y catalizador, es decir, un método de dos barridos a lo largo de la misma trayectoria, para lograr la unión entre los granos de arena de resina y completar la fabricación automática de moldes de arena. Este proceso fue desarrollado con éxito por la Universidad de Tsinghua y otras instituciones.

7.El trazado tridimensional (3D Plotting), conocido como proceso de trazado tridimensional, utiliza una bomba para extrudir material fundido a una temperatura determinada a través de una boquilla extremadamente precisa (0,05 mm de diámetro) para acumularlo y darle forma. Este proceso fue comercializado y puesto en el mercado por Solidscape Inc. (antes Sanders Proto-

empresa de mecanografía).

8.El proceso SGC (Solid Ground Curing), conocido como curado por esmerilado sólido, utiliza la tecnología de placa de máscara para formar una capa de resina fotopolimerizable de una sola vez, en lugar de curar cada capa (resina) punto por punto como los equipos SL, lo que acelera la fabricación de prototipos. Este proceso fue desarrollado y comercializado con éxito por la empresa Cubital de Israel.

9.El proceso de la impresora 3D, conocido como impresora tridimensional, utiliza materiales termoplásticos de formación en bloque, que se calientan y funden tras entrar en la boquilla, y se extruden desde la boquilla para acumularse y formarse punto por punto. La impresora Genisys3D, desarrollada con éxito en colaboración con IBM por Stratasys, se lanzó como dispositivo de sobremesa.

10.El proceso CC (Contour Crafting), conocido como proceso de artesanía de contornos, utiliza una combinación de apilamiento de contornos y colada de materiales fundidos para dar forma. Durante el apilamiento de contornos se utilizan sencillos dispositivos de raspado o cuchillas, y las capas del prototipo son casi tridimensionales. La Universidad del Sur de California logra un gran avance en investigación.

11.RIPF (Rapid Ice Prototype Forming), conocido como proceso de formación rápida de prototipos de hielo a baja temperatura, utiliza boquillas de modulación de anchura de pulso para pulverizar gotas discretas a alta frecuencia, acumulando prototipos de hielo a bajas temperaturas. Desarrollado con éxito conjuntamente por la Universidad de Tsinghua y la Universidad de Missouri-Rolla, en Estados Unidos.

12.SIS (Selective Inhibition Sintering), conocido como proceso de sinterización por inhibición selectiva, propuesto e investigado por la Universidad del Sur de California. Este proceso utiliza cabezales de inyección de tinta para rociar inhibidores de forma selectiva y, a continuación, utiliza radiadores térmicos para calentar la capa, haciendo que las partes no cubiertas por el inhibidor se adhieran rápidamente y se formen.

Además, la fabricación rápida se ha desarrollado con enorme rapidez en los últimos años, dando lugar también a muchas tecnologías y procesos nuevos.

El mencionado proceso de RP puede clasificarse según la forma de las materias primas utilizadas, véase la Figura 2. También puede clasificarse según la tecnología de apoyo utilizada durante la acumulación de material, como las tecnologías que utilizan haces de alta energía, como láseres, haces de electrones, y las tecnologías que utilizan pulverización o deposición.

V. Aplicación de la tecnología de prototipado rápido al desarrollo de nuevos productos

La tecnología de prototipado rápido se ha aplicado ampliamente en muchos campos, como el aeroespacial, la automoción, la maquinaria, la electrónica, los electrodomésticos, la medicina, los juguetes, la construcción y el arte, logrando resultados notables, que se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:

1. Diseño de la forma

Muchos productos, sobre todo electrodomésticos y automóviles, tienen unos requisitos muy exigentes en cuanto a aspecto estético e innovador. Al ser "visible pero no fácil de tocar", no resulta intuitivo. Gracias a la tecnología RP, los prototipos pueden ponerse rápidamente a disposición de diseñadores y usuarios para que los revisen desde distintos estándares y perspectivas, lo que hace que el diseño y la inspección de formas sean más intuitivos, eficaces y eficientes.

2. Comprobar la calidad del diseño

La tecnología RP puede fabricar prototipos de piezas con precisión y realismo antes de la apertura del molde, lo que permite visualizar claramente en el modelo diversos problemas y errores menores del diseño, reduciendo así en gran medida los riesgos de la apertura del molde. Al fabricar rápidamente modelos físicos, las evaluaciones de diseño pueden realizarse antes, lo que acorta el ciclo de retroalimentación del diseño, acelera la retroalimentación del diseño, aumenta la tasa de éxito del desarrollo del producto, reduce los costes de desarrollo y, en general, acorta el tiempo de desarrollo.

3. Pruebas funcionales

Los diseñadores pueden utilizar la tecnología RP para realizar rápidamente pruebas funcionales y determinar si el diseño cumple mejor los requisitos, optimizando así el diseño del producto.

4. Prueba táctil

A través de los prototipos, las personas pueden tocar y sentir la entidad física, lo cual es sumamente importante para el diseño de las piezas de agarre de cámaras, herramientas eléctricas manuales, etc., y tiene una amplia trascendencia en la aplicación de la ergonomía.

5. Inspección de interferencias en el montaje

Es muy importante realizar inspecciones de interferencias de montaje en espacios limitados, y las pruebas de montaje de prototipos pueden completar con éxito el diseño de una sola vez.

6. 6. Consultas sobre suministros y opiniones de clientes, etc.

Poder proporcionar a tiempo modelos de productos para que los clientes los evalúen aumenta enormemente la competitividad del producto.

7. Modelo de análisis de los resultados de las pruebas

La tecnología RP también puede aplicarse en análisis computacionales y modelos experimentales. Por ejemplo, pueden elaborarse modelos físicos a partir de los resultados del análisis de elementos finitos, ayudando así a comprender la distribución de tensiones y deformaciones del objeto de análisis.

8. Modelo biomédico

Diversas operaciones quirúrgicas, especialmente las complejas, requieren con urgencia modelos de entidad física in situ de los órganos dañados a escala real. La introducción de datos de TC en dispositivos de RP para obtener modelos sólidos tridimensionales puede ser muy eficaz para ayudar a los cirujanos a decidir los planes quirúrgicos.

VI. Tendencias de desarrollo de la tecnología de prototipado rápido

En los últimos años, la tecnología de prototipado rápido se ha desarrollado en dos direcciones: por un lado, la precisión de los prototipos, el rendimiento de las piezas moldeadas y la velocidad de moldeo mejoran continuamente; por otro, el coste de los equipos y los materiales disminuye. Junto con la popularización gradual de los sistemas CAD 3D, sus campos de aplicación y su mercado son cada vez más amplios. A partir del desarrollo de estos años, la proporción de aplicaciones de prototipos generales ha disminuido gradualmente, y los modelos conceptuales y las piezas funcionales ocuparán la mayor parte del mercado de aplicaciones de prototipado rápido.

1. Fabricación de piezas funcionales

La fabricación directa de piezas funcionales siempre ha sido un punto caliente y la dirección más desafiante en la investigación de RP, con muchas empresas profesionales, instituciones de educación superior y organizaciones de investigación dedicadas a esta área.

2. Fabricación de modelos conceptuales

Los prototipos utilizados para el diseño conceptual se denominan modelos conceptuales, que no requieren elevadas propiedades físicas y químicas ni precisión de moldeo, pero sí principalmente una velocidad de moldeo rápida, adecuada para el diseño, entornos de oficina (equipo compacto, funcionamiento fiable sin contaminación, limpio, silencioso) y fácil manejo.

Las principales aplicaciones de los modelos conceptuales incluyen el diseño estilístico, la inspección estructural, la inspección de interferencias de montaje, los ensayos estáticos y dinámicos, y la ergonomía, abarcando una amplia gama. Los modelos conceptuales representan más de la mitad de las aplicaciones de P.

3. Biomanufactura

La combinación de la tecnología de prototipado rápido con las ciencias de la vida y la tecnología biomédica es una de las principales tendencias en el desarrollo de la fabricación rápida de prototipos en este siglo, como sus importantes aplicaciones en ingeniería de tejidos y ensamblaje tridimensional controlado de células.

Fabricación sobremesa

Con la miniaturización y ultraminiaturización de los equipos de prototipado rápido, similares a las impresoras de inyección de tinta, el tamaño de los equipos de RP puede reducirse al de un ordenador, convirtiéndose en un periférico de éste. A medida que el precio de los equipos se reduce aún más, la popularidad de los equipos de RP pequeños también aumenta. Por ello, la tecnología de RP de pequeño tamaño se conoce más comúnmente como tecnología de impresión 3D (3DP).

Los estudiantes de primaria, secundaria y bachillerato, especialmente los de formación profesional y técnica, pueden dominar fácilmente todo el proceso, desde el diseño creativo hasta la obtención de prototipos o modelos a escala de piezas mecánicas, modelos arquitectónicos, obras de arte artesanales o incluso garabatos infantiles, aprendiendo software de CAD en 3D y manejando equipos de RP. Para diseñadores, artistas, arquitectos y quienes están creando empresas en línea, los pequeños equipos de RP se están convirtiendo en una herramienta esencial para las oficinas domésticas.

Con el desarrollo de la tecnología de RP en varios países, han surgido asociaciones internacionales de RP. La Global Alliance Rapid Prototyping Association (GARPA) se creó oficialmente en 1998 bajo el impulso del Profesor Terry Wohler de EE.UU. y el Dr. Ian Gibson de Hong Kong. GARPA es una alianza de asociaciones de RP (sociedades, comités técnicos, etc.) registradas en varios países, que actualmente cuenta con 17 países, regiones y líderes de asociaciones miembros, como se muestra en la Tabla 1.

Cuadro 1 Panorama de la Alianza Global de Prototipado Rápido GARPA

VII. Estado actual de la tecnología de prototipado rápido

La investigación y la aplicación de la tecnología RP se concentran principalmente en Estados Unidos, Europa y Japón. Entre las principales universidades de Estados Unidos que investigan la tecnología RP figuran:

El MIT, dirigido por el profesor Emanuel Sachs, investiga y desarrolla el proceso 3DP; la Universidad de Dayton, dirigida por el profesor Allan J. Lightman, se dedica a la investigación de varios procesos RP, y esta universidad celebra todos los años una conferencia académica internacional RPM conjuntamente con la Sociedad de Ingenieros de Fabricación (SME); la Universidad de Texas en Austin, dirigida por el profesor Joseph J. Beaman, investiga principalmente el proceso SLS, donde se celebra la conferencia académica internacional SFF; la Universidad de Stanford, dirigida por el profesor Fritz B. Prinz, investiga principalmente el proceso SDM (deposición de formas), donde se celebra la conferencia académica internacional SFF; la Universidad de Stanford, dirigida por el profesor Joseph J. Beaman, que investiga principalmente el proceso SLS, donde se celebra la conferencia académica internacional SFF; la Universidad de Stanford, dirigida por el Prof. Fritz B. Prinz, que investiga principalmente el proceso SDM (Shape Deposition Manufacturing) y sus aplicaciones.

La Universidad Carnegie Mellon, dirigida por Lee E. Weiss, investiga principalmente la aplicación de la RP en micromecánica. Además, muchas universidades e instituciones de investigación de Estados Unidos investigan nuevos procesos de RP, nuevas tecnologías y la fabricación directa de prototipos cerámicos o metálicos.

Situación principal de la investigación y el desarrollo de las principales empresas de RP en Estados Unidos: 3D Systems Inc. investiga principalmente el proceso SL, los equipos y las aplicaciones; la antigua TM Corp. investiga principalmente el proceso SLS, los equipos y las aplicaciones; Stratasys Inc. investiga principalmente el proceso FDM, los equipos y las aplicaciones; Z Corp. investiga y produce equipos de RP basados principalmente en el proceso 3DP; Solidscape se encuentra al más alto nivel mundial en RP para prototipos de precisión como joyas, con un proceso de inyección de material termoplástico no metálico (Jetting).

Entre las principales unidades de investigación de Japón figuran: La Universidad de Tokio, dirigida por el profesor Takeo Nakayama, dedicada a la investigación de procesos y tecnologías SL y LOM; la filial de SONY D-MEC, que lanzó equipos SCS para procesos SL; la filial de Mitsubishi CMET INC, que lanzó equipos SOUP para procesos SL, ocupando un importante mercado en Japón; la filial de Mitsui MES, que lanzó máquinas de moldeo CO-LAMM para procesos SL; la empresa Du Pont/Teijin-Seiki, que lanzó equipos SOMOS para procesos SL.

Muchas instituciones de investigación y fabricantes de Europa Occidental también se están centrando en este campo, como: La alemana Electro-Optical System Gmbh, o EOS, dedicada principalmente a la investigación y desarrollo de los procesos SL y SLS; la sueca Sparx AB (Larson Brothers CO.AB) lanzó el sistema "Hot Plot Rapid Prototyping", similar al proceso LOM de Helisys; la francesa Laser3D lanzó el sistema RP.