Prototipado Rápido y la Fundición

Impacto de la impresión 3D en arena y microfusión

La impresión 3D es uno de los muchos avances que permiten una creación de prototipos más rápida.

Un diseñador, empresario o inventor tiene una idea y comienza el proceso para darle vida. Al principio, la idea está hecha de bocetos y planos, investigación y diseño, pero el diseñador se enfoca en crear un objeto físico. No hay sustituto para sostener una maqueta o un prototipo y ver cómo una visión cobra vida. La creación de prototipos permite que el diseñador tenga confianza en su idea, resuelva los defectos de producción y corteje a inversores o clientes.

Durante el primer lanzamiento de un objeto al mundo, un creador debe administrar su nuevo producto a través de cuestiones de propiedad intelectual, análisis de costos finales, preocupaciones mecánicas y estéticas y las expectativas del inversionista, el cliente o el mercado. Una buena ejecución de creación de prototipos deja espacio para que se exploren todos estos problemas.

Afortunadamente, el auge de la creación rápida de prototipos por computadora ha simplificado los detalles técnicos de este proceso, lo que permite a un creador producir el mejor producto posible.

Historia de la creación de prototipos

Antes del surgimiento de las tecnologías asistidas por computadora, todos los prototipos de fundición de metal se construían a partir de patrones diseñados a mano. Después de la fase de diseño inicial, un creador de patrones artesanal convertiría el dibujo en una escultura tridimensional. Para las fundiciones en arena, estos patrones generalmente estaban hechos de madera, pero ocasionalmente de metal o cerámica. Algunos patrones se renderizaron con cera para un proceso de fundición por inversión. Estos patrones sueltos fueron la primera representación general del objeto final.

Estos patrones no serían idénticos al prototipo, aunque podrían parecerse al producto final. Los patrones suelen ser un poco más grandes que el modelo final, para compensar el encogimiento durante el proceso de fundición del metal. También pueden estar separados en secciones, creados como meros contornos geométricos para moldes de barrido, o tener ángulos extraños diseñados para compensar la deformación del metal que se contrae o para proporcionar tiro para que el patrón sea removido de un molde de arena.

Los patrones se le darían a un moldeador experto en el piso de la fundición, generalmente para crear un molde de arena necesario para la fundición del prototipo. El paso de moldeado solía ser un desafío, no tan simple como simplemente presionar un patrón en la arena. Un moldeador tenía que tallar las líneas de separación de la fundición y colocar los canales y orificios necesarios que permitirían que el metal fundido llenara el molde de manera uniforme y completa, y que se enfriara sin defectos. Estos canales incluyen el bebedero, o la entrada por la que se vierte el metal líquido; compuertas, que son canales de tamaño variable que controlan la velocidad de flujo del material fundido; corredores, que permiten que el metal líquido fluya de un área del molde a otra; y elevadores, piscinas de gran volumen que permanecen calientes durante más tiempo que la fundición y, por lo tanto, pueden introducir metal líquido en la fundición a medida que se enfría y se encoge, evitando que se formen agujeros.

A partir de este minucioso trabajo tanto del patronista como del moldeador, se fundían prototipos de metal.

Una vez que los trabajadores de la fundición habían desmoldado una fundición de metal limpia, el diseñador original podía evaluarla. La estética, el peso, el acabado y el ajuste quedarían claros. Si no fuera solo un objeto decorativo, sino algo diseñado para manejar el estrés mecánico, el diseñador probaría el objeto cargándolo a su tolerancia establecida y más allá, para verificar la ingeniería. Las fundiciones también probarían prototipos destruyéndolos:la fundición se cortaría en pedazos para buscar deformidades en el interior.

Llevar un diseño a la fabricación también haría más clara la inversión y el retorno. Un diseñador o inventor puede usar la fase de creación de prototipos para presupuestar y encontrar eficiencias para una producción completa.

Después de pensar en el prototipo de todas estas maneras, es posible que se necesiten cambios en el diseño. Ya sea que las modificaciones fueran grandes o pequeñas, por lo general crearían horas de trabajo nuevamente para el artesano creador de patrones y, posteriormente, para el moldeador.

La creación de prototipos fue un proceso largo y costoso.

Digitalización y diseño asistido por ordenador

El auge de la creación rápida de prototipos ha hecho que sea mucho más fácil crear un modelo de trabajo. También retrasa la primera vez que se necesita un objeto físico.

Los planos y bocetos técnicos alguna vez se hicieron a mano. Ahora, se digitalizan a través de programas CAD (Diseño Asistido por Computadora). Es muy sencillo cambiar los archivos CAD digitales muchas veces a través del proceso de creación de prototipos, mientras que volver a dibujar los planos históricos requería mucho trabajo.

Los dibujos CAD se pueden convertir en simulaciones complejas y bien imaginadas de la producción y el producto final. Son un paso de creación de prototipos digitales, creando un modelo de computadora completo que actúa más como un prototipo inicial de lo que era posible con lápiz y papel. Los archivos CAD también pueden ser utilizados por programas de computadora que tienen información de fabricación y producción. Si un diseñador envía archivos CAD con su objeto a una fundición, los metalúrgicos pueden usar programas con amplias bases de datos de propiedades de metales y procesos de moldeo para evaluar el boceto y predecir posibles problemas. Los problemas que una vez pudieron haber tenido una ejecución de prototipos para descubrir se pueden encontrar antes de que se vierta el primer metal.

Estos programas también son útiles para la fundición, ya que ayudan a colocar bebederos, compuertas, canaletas y contrahuellas en los lugares que crearán la fundición más sólida, antes de que el patrón llegue al piso de la fundición.

Aún así, no importa cuán complejos o bien imaginados, siguen siendo abstracciones. Las personas a menudo necesitan un prototipo físico para comprender realmente un diseño.

Mockups y prototipos de preproducción

Con la llegada de la impresión 3D, las maquetas se pueden hacer rápidamente y a cualquier escala, a menudo mucho antes de que se contacte a un fabricante. Ahora es común que los diseñadores construyan sus propios primeros prototipos internamente. Ya sea en miniatura o a escala, un diseñador puede realizar una maqueta de su proyecto para ver cómo podría encajar todo.

La impresión 3D es parte de un nuevo estilo de "diseño iterativo" que cambia rápidamente. Los modelos 3D se pueden imprimir, criticar, cambiar y reimprimir, todo en un día. Esto es rápido y económico en comparación con el complejo proceso de creación de patrones y fundición de metales.

En la fundición, la creación rápida de prototipos también puede ayudar a crear patrones que se presionarán en el molde de formas nuevas y novedosas. El mecanizado guiado por láser puede fabricar un patrón de metal. La impresión 3D puede crear directamente patrones para microfusión, que pueden ser eficientes para tiradas cortas o complejas.

Prototipos de producción

Eventualmente, los prototipos deberán fabricarse con el material correcto en el tamaño correcto y se ordenará una producción corta al fabricante. La llegada de las tecnologías digitales significa que el creador de patrones y el moldeador ahora son guiados a través de su trabajo por programas de computadora, lo que acelera estos pasos de creación de prototipos. Sin embargo, no todo ha cambiado. Por lo general, todavía se crea un patrón de madera suelta para los primeros prototipos de una producción de fundición en arena (o un patrón de cera para una fundición de inversión). Estos modelos de trabajo se fabricarán y probarán como siempre se ha hecho.

La fundición aún realiza pruebas destructivas. Los trabajadores metalúrgicos cortarán o descorazonarán algunas de las piezas fundidas para asegurarse de que estén libres de defectos o que los defectos se encuentren dentro de las tolerancias acordadas. Cuando la fundición esté segura, enviará muestras al cliente. Luego, el cliente termina la fundición como pretende y la pone a trabajar. ¿El prototipo de trabajo se ve y actúa según lo previsto? ¿Puede manejar su carga esperada?

En las nuevas invenciones, el innovador puede necesitar varias rondas de prototipos funcionales para modificar el diseño o el material. Para piezas más estándar, el prototipo de trabajo podría ser la prueba de concepto que encontrará clientes o inversores para pagar una producción completa.

La velocidad de estas ejecuciones de creación de prototipos se ve reforzada por la llegada de tecnologías como el ultrasonido y los rayos X. Las fundiciones ahora pueden realizar pruebas tanto de forma no destructiva como destructiva. Los técnicos pueden verificar la solidez del metal sin cortar la fundición. Esto significa que se pueden hacer menos prototipos y aun así proporcionar pruebas completas en la línea de producción. Los artículos inspeccionados por una fundición de manera no destructiva pueden enviarse desde la fundición al cliente para su inspección, acabado y prueba de carga. La creación rápida de prototipos, entonces, también es proporcionada por las nuevas opciones de pruebas no destructivas, que permiten una menor inversión en las series de creación de prototipos de producción.

Acuerdos de confidencialidad y patentes

No son solo las cuestiones técnicas las que se ven afectadas por la creación rápida de prototipos, sino también las cuestiones de propiedad intelectual. Tan pronto como el diseño deja el taller del diseñador y pasa al mundo de la fabricación, la PI se convierte en una preocupación.

Si un producto es el primero de su tipo, un inventor generalmente planea presentar una patente. En muchas situaciones, no es aconsejable presentar una patente antes de que se haya probado un prototipo de producción funcional. Tanto el trabajo que se dedica a la creación de prototipos como la prueba posterior del diseño pueden detectar fallas que podrían cambiar la solicitud de patente.

Las patentes se anuncian públicamente cuando se presentan. La creación rápida de prototipos calienta el ciclo de producción para todos. Una patente defectuosa puede ser fuente creativa para un competidor, que puede lanzarse rápidamente a su propia investigación y desarrollo, utilizando la patente como punto de partida. Por lo tanto, esperar hasta el final de la creación de prototipos para patentar a menudo protege tanto el costo como la propiedad intelectual. Por lo general, un inventor no quiere gastar dinero en un proceso de patente complicado, solo para tener que rehacerlo con la competencia pisándole los talones.

Este proceso puede hacer que un inventor se sienta vulnerable de que alguien en el proceso de creación de prototipos pueda copiar su diseño y llevarlo al mercado primero. Por lo tanto, es importante tener una buena relación con un fabricante de confianza y tener diseños protegidos con acuerdos de confidencialidad claros.

Prototipado rápido para un mejor diseño

El otro lado de esta cautela es la necesidad comercial de sacar un producto, incluso en mercados de prueba limitados o para probadores beta. El fundador de LinkedIn, Reid Hoffman, es ampliamente citado diciendo:"Si no te avergüenza la primera versión de tu producto, lo has lanzado demasiado tarde".

La creación rápida de prototipos está ayudando a los diseñadores a realizar un mejor producto antes de salir al mercado. Sin embargo, la facilidad de esta etapa puede ser un canto de sirena que mantiene a los diseñadores trabajando para que todo quede perfecto antes de su lanzamiento. Es importante recordar que el desarrollo no tiene por qué terminar con el trabajo de refinar y perfeccionar los productos. La vida de una fundición puede comenzar con el diseño y la creación de prototipos, pero a menudo genera generaciones de productos que cambian ligeramente el estilo, el material, el método de fundición, la capacidad mecánica, el tamaño o la función.

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