Prototipado Rápido de Metales: Acelere el Desarrollo de Productos y Lanzamiento al Mercado

Los productos de calidad progresan —desde el diseño, a la producción, al mercado— más rápido que nunca

Métodos y aplicaciones de prototipado rápido

Cada método de prototipado tiene sus ventajas y desventajas, así como factores que lo hacen más adecuado para ciertos proyectos.

Impresión 3D

La impresión 3D es un proceso relativamente nuevo también conocido como fabricación aditiva —el proceso de imprimir una capa de producto a la vez hasta que un componente 3D se construye por las muchas capas. Cada capa puede tener unos 100 micrones de espesor. La impresora es controlada por un sistema computarizado, que toma un diseño 3D como entrada y crea el producto 3D como salida.

La tecnología ha evolucionado con el tiempo, y una amplia variedad de materiales se han vuelto disponibles para impresión. Plásticos, nylons, resinas, plata, titanio, acero, cera, fotopolímeros y policarbonatos pueden usarse como material de impresión 3D.

Hay tres tipos principales de máquinas de impresión 3D:

• Sinterizado selectivo por láser (SLS) usa material de impresión en forma de polvo. Cada capa de la pieza se crea fundiendo el polvo usando un láser. Polvo fresco se rueda sobre la parte parcialmente completada y el proceso comienza de nuevo hasta que toda la pieza se construye.
• Modelado por deposición fundida (FDM) usa filamento termoplástico y lo funde para extrusión. La extrusión es controlada precisamente por la computadora de acuerdo con el diseño 3D, imprimiendo cada capa en sucesión.
• Estereolitografía también usa un láser, pero en este caso, un producto líquido se solidifica una capa a la vez por la acción del láser —se controla para coincidir con el diseño.

La impresión 3D es popular para prototipado rápido porque el proceso es muy eficiente en recursos. No se requiere utillaje de líneas de producción, los requisitos de mano de obra son mínimos y se genera muy poco desperdicio. La desventaja de la impresión 3D es que puede consumir tiempo —tomando horas, y a veces días, para construir piezas complejas. El tamaño de la pieza está limitado por el área de impresión de la máquina. Además, puede no ser posible producir la pieza en el material deseado debido al punto de fusión muy alto de algunos metales.

Fundición en arena

En fundiciones de metal, los modelos se usan para hacer el molde que se usará para fundir la pieza de metal. Un modelo de prototipo se hace de la forma más simple y rentable, para que la pieza pueda probarse y ajustarse si es necesario. Por esta razón, el modelo a menudo se usa para hacer un molde de arena ya que este es el molde más barato y rápido de producir. De principio a fin, un prototipo puede hacerse en 2 a 4 semanas usando un modelo de madera suelto.

Un modelo de madera suelto se hace de madera por un fabricante de modelos usando técnicas como torneado, herramientas, fabricación de matrices y carpintería fina. El modelo se fabrica de acuerdo con el diseño del prototipo con algunas tolerancias incorporadas para contracción, que ocurre cuando el metal se enfría. Donde el diseño del prototipo requiere partes con contra-desmoldeo, estas partes se hacen como piezas sueltas del modelo sostenidas en su lugar por pasadores.

La arena de moldeo está especialmente constituida con la mezcla correcta de componentes para que tenga las características necesarias para fundición de metal. Debe mantener su forma, no liberar demasiada humedad y dar un buen acabado. La arena se apaca alrededor del modelo de madera suelto para formar un molde, que luego puede usarse para hacer el prototipo de metal.

La fundición de un prototipo de metal es un proceso de fundición estándar donde el metal se funde, la composición se controla y el metal fundido se vierte en el molde. Una vez enfriado, el molde se rompe y el prototipo de metal está listo para acabado.

La fundición de metal de un prototipo rápido con un modelo de madera suelto es popular debido al bajo coste de producción y la relativa facilidad de ajustar el modelo y refundir si es necesario. También es posible hacer el prototipo del mismo material que el producto final, eliminando así más pasos de desarrollo. Los fabricantes a menudo encuentran que el proceso para desarrollar un prototipo a menudo se convierte en el método para producción final con modificaciones menores.

Fundición de inversión

La fundición de inversión también es un proceso de fundición de metal, pero usa una técnica diferente para hacer el modelo para crear el molde. El primer paso es la creación de un modelo de cera que coincida con el diseño para el prototipo. Históricamente, los modelos de cera se han hecho con máquinas de inyección de moldeo o prensas de cera, pero nuevos materiales y el desarrollo de la impresión 3D han creado una oportunidad para que los modelos de fundición de inversión se hagan más fácil y rápidamente.

Una vez que el modelo se ha hecho, se encierra en material cerámico que toma la forma del modelo a medida que fragua. El molde se calienta luego hasta que la cera se derrite y fluye fuera del molde de fundición —de ahí su nombre alternativo, fundición a la cera perdida. Los procesos de fundición estándar siguen, donde el metal fundido se vierte en el molde. Cuando el metal se ha enfriado y solidificado, el molde cerámico se rompe, dejando el prototipo de metal listo para acabado.

Las ventajas de este método de prototipado rápido son similares a las del modelo de madera suelto —con el beneficio añadido de tolerancias y acabados más finos.

Fabricación de prototipos metálicos

Los materiales metálicos en stock incluyen láminas, varillas, tubos, barras y alambre. Cualquiera de estos puede usarse como materias primas para fabricar un prototipo metálico como un paso secundario downstream, en lugar de a través de fabricación primaria como fundición o impresión 3D.

Para la fabricación de prototipos de chapa metálica, muchos procesos diferentes pueden emplearse para fabricar un prototipo. Por ejemplo, el modelo físico podría aplanarse y colocarse sobre lámina metálica para usarlo como plantilla, luego láseres o antorchas podrían usarse para cortar contornos y aberturas, y marcar dobleces. Prensas podrían usarse para doblar el metal en los límites marcados, y equipo de soldadura especializado puede usarse para unir partes.

El tubo puede usarse para prototipado procesándolo a través de varias operaciones diversas para crear una pieza de prototipo que coincida con el diseño:

• Abocardado - ensanchar la abertura al final de un tubo en forma de embudo
• Estirado/Reducido (Swaging) - reducir o aumentar el diámetro del tubo
• Abollonado (Dimpling) - pequeñas deformaciones en la superficie del metal
• Doblado - crear formas insertando dobleces en puntos definidos en el tubo
• Aplanado - usar una prensa para comprimir el tubo
• Perforado - crear agujeros en el material
• Expandido - usar calor y herramientas para abrir el diámetro del tubo

La principal ventaja de fabricar un prototipo metálico de materiales en stock es la eficiencia de tiempo. No se necesitan modelos o moldes, y las materias primas están disponibles en estantería. La desventaja es que algunos diseños de prototipo serán demasiado complejos para procesos de fabricación estándar y por tanto no pueden hacerse con esta técnica.

Mecanizado de prototipos metálicos

El mecanizado es cualquier proceso donde una pieza de material bruto se corta en una forma y tamaño final deseados por un proceso controlado de remoción de material —también conocido como fabricación sustractiva. Puede usarse para fabricar varios productos metálicos, así como materiales como madera, plástico, cerámica y compuestos. En producción moderna, el mecanizado se lleva a cabo por control numérico computarizado (CNC).

CNC es el control computarizado de equipo de mecanizado para hacer una pieza de acuerdo con un diseño 3D. El equipo de mecanizado incluye tornos, fresadoras, routers, taladros y rectificadoras. La materia prima para máquinas CNC son productos metálicos en stock como planchas y barras de acero.

Un diseño 3D se convierte a un programa de computadora, que luego es usado por el sistema de control para dirigir las máquinas. La materia prima seleccionada debe ser más grande que el prototipo que se hace porque es a través de la remoción de metal por mecanizado que el prototipo se fabrica. Máquinas CNC avanzadas controlan operaciones en los 3 ejes (x, y, z) y pueden voltear la pieza y cambiar herramientas de mecanizado automáticamente, resultando en un acabado de alta calidad y nivel de precisión.

La ventaja de máquinas CNC sobre otras técnicas de fabricación es la acción automatizada basada en un diseño 3D. La intervención humana es limitada y el prototipo fabricado coincide con el diseño con un alto grado de precisión. Prototipos más complejos pueden fabricarse usando máquinas CNC que a través de operaciones manuales. Una desventaja de mecanizar piezas es que la pieza se hace removiendo metal de la materia prima y esto resulta en desperdicio. Aunque el material de desperdicio puede reciclarse, hay implicaciones de coste y pérdidas que ocurrirán.

Casos de estudio sobre prototipado rápido

Industria automotriz

La investigación muestra que los avances en impresión 3D están teniendo un impacto dramático en la capacidad de los ingenieros para probar sus ideas y llevar productos al mercado rápidamente. Un artículo automotriz destaca el hecho de que probar la aerodinámica de ciertas piezas automotrices es crítico para medir su impacto en el rendimiento del auto. A medida que se obtienen resultados de prueba, ajustes menores pueden hacerse al diseño, y un nuevo prototipo se reimprime muy rápidamente. Para pruebas aerodinámicas, no es esencial que la pieza sea del material final ya que es la forma la que se prueba, no la resistencia. La impresión 3D está ayudando a ingenieros automotrices a acelerar su desarrollo y mejorar su eficiencia.

Diferentes aplicaciones se adaptan a diferentes métodos de fabricación. En un ejemplo, un diseñador descubrió esto al fabricar un ensamblaje de anillo de 2 partes con espacio para una tarjeta micro SD en el espacio interno. Los primeros prototipos se hicieron por Sinterizado Láser Directo de Metal (DMLS), pero la calidad de acabado superficial inferior y mal ensamblaje llevaron a una investigación de usar una máquina CNC con mecanizado por descarga electrostática. El rendimiento mejorado del prototipo destacó las ventajas de CNC en esta aplicación específica.

Industria de alta tecnología

Reducir costes de desarrollo es un imperativo económico para muchas empresas de alta tecnología al llevar sus nuevas creaciones al mercado. Cuando Icon Aircraft lanzó el proyecto para su avión recreativo A5, invirtieron tiempo y energía significativos en encontrar la forma más rentable y eficiente de construir sus componentes para prototipado y producción en masa. Un estudio de caso indica que Icon Aircraft ganó 2 a 3 semanas en el cronograma de producción, $2000, y dos días-persona por pieza de conducto de aire al reducir la necesidad de utillaje especializado.

Industria aeronáutica

El premio de la Sociedad Americana de Fundición para la fundición del año 2017 fue otorgado a una empresa que desarrolló una nueva fundición para un marco de asiento de pasajero de avión. Históricamente, este componente estructural se hacía de un solo lingote, pero un proceso de diseño e ingeniería detallado resultó en una estructura de celosía hecha de magnesio —un material más ligero que el aluminio, pero que no puede imprimirse en 3D. El prototipo de fundición produjo un producto que tiene la resistencia requerida pero es mucho más ligero que las piezas mecanizadas existentes. Ahorros de $100k/año en un solo avión de pasajeros se calcularon basados en reducción de costes de combustible debido a asientos más ligeros, así como reducciones de emisiones asociadas.

Prototipado rápido y el camino por delante

Un número creciente de métodos para fabricación de prototipos rápidos están disponibles para innovadores e ingenieros. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas. Los procesos de fundición son adecuados para aplicaciones donde el prototipo debe hacerse en el mismo material que el producto final, especialmente para metales de alto punto de fusión. La impresión 3D es adecuada para componentes más pequeños hechos de materiales imprimibles específicos —esta tecnología se desarrolla y mejora continuamente. El mecanizado puede usarse para cortar metal de un producto en stock donde la complejidad no es demasiado severa y procesos estándar como fresado y rectificado aún pueden usarse.

Sir James Dyson es un inventor, emprendedor e ingeniero icónico, más famoso por su desarrollo del sistema de vacío ciclónico que reemplazó los sistemas de bolsa en sistemas de limpieza doméstica. En una fascinante entrevista con la BBC, Dyson reveló que su invención tomó cinco años en perfeccionarse y un total de 5.127 ajustes y modificaciones diferentes. Es un firme creyente en el lema antiguo, "Si al primer intento no tienes éxito, ¡intenta, intenta de nuevo!" La historia de Dyson destaca la realidad de que los desarrolladores de productos e ingenieros necesitan múltiples iteraciones de desarrollo y mejora para llevar nuevos productos al mercado. Las mejoras en el prototipado rápido continuarán reduciendo ineficiencias y bajando costes para beneficio de innovadores y consumidores por igual.

Referencias

• 3ders. "Conceptos básicos de impresión 3D"
• Marlin Steel. "Impresión 3D versus fabricación tradicional"
• Mechanical Inventions. "Tipos de modelos"
• Mechanical Engineering. "Modelos de moldeo / Modelos de fundición en arena / Modelos y moldes"
• miBot. "Haciendo moldes y modelos de arena"
• The Library of Manufacturing. "Fundición de inversión"
• Foundry Management and Technology. "Haciendo la fundición de inversión una mejor inversión"
• Thomas Net. "Más sobre mecanizado CNC"
• Rapid Sheet Metal. "Fabricación de prototipos rápidos"
• Creative Mechanisms. "Todo lo que necesitas saber sobre máquinas CNC"
• Wikipedia. "Mecanizado"