Hágalo ágil:creación rápida de prototipos para trabajos en metal

Los productos de calidad están progresando, desde el diseño hasta la producción y el mercado, más rápido que nunca

La introducción de un nuevo producto al mercado implica un proceso complejo de diseño, investigación de mercado y fabricación. La creación rápida de prototipos es una parte de este proceso en el que se fabrican componentes para desarrollar un modelo de trabajo del producto, probando su funcionalidad y limitaciones. Estos prototipos se pueden fabricar con el mismo material que el del producto final, o se puede utilizar un material alternativo para los fines del caso de prueba.

Algunos métodos de creación de prototipos de metal incluyen:

• Impresión 3D
• Fundición en arena (patrón de madera)
• Fundición de inversión (patrón de cera)
• Fabricación de la pieza directamente a partir de material metálico
• Mecanizado de la pieza directamente a partir de material metálico

Métodos y aplicaciones de creación rápida de prototipos

Cada método de creación de prototipos 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 impresión de una capa de producto a la vez hasta que las muchas capas forman un componente 3D. Cada capa puede tener un espesor de unas 100 micras. La impresora está 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 están disponibles para la impresión. Como material de impresión 3D se pueden utilizar plásticos, nailon, resinas, plata, titanio, acero, cera, fotopolímeros y policarbonatos.

Hay tres tipos principales de máquinas de impresión 3D:

• Sinterización selectiva por láser (SLS) utiliza material de impresión suministrado en forma de polvo. Cada capa de la pieza se crea fundiendo el polvo con un láser. Se aplica polvo nuevo sobre la parte superior de la pieza parcialmente terminada y se vuelve a iniciar el proceso hasta que se construye toda la pieza.
• Modelado por deposición fundida (FDM) utiliza filamento termoplástico y lo funde para la extrusión. La extrusión es controlada con precisión 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 capa por capa mediante la acción del láser; se controla para que coincida con el diseño.

La impresión 3D es popular para la creación rápida de prototipos porque el proceso es muy eficiente en cuanto a recursos. No se requieren herramientas de las 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 llevar mucho tiempo, 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, es posible que no sea posible producir la pieza en el material deseado debido al punto de fusión muy alto de algunos metales.

Fundición en arena

En las fundiciones de metales, los patrones se utilizan para hacer el molde que se utilizará para fundir la pieza de metal. Un patrón de prototipo se realiza de la manera más sencilla y rentable, de modo que la pieza pueda probarse y ajustarse si es necesario. Por esta razón, el patrón se usa a menudo para hacer un molde de arena, ya que es el molde más económico y rápido de producir. De principio a fin, se puede hacer un prototipo en 2 a 4 semanas utilizando un patrón de madera suelto.

Un patrón de madera suelto está hecho de madera por un fabricante de patrones utilizando técnicas como torneado, herramientas, fabricación de troqueles y trabajo en madera fina. El patrón se fabrica de acuerdo con el diseño del prototipo con algunas tolerancias incorporadas para la contracción, que ocurre cuando el metal se enfría. Cuando el diseño del prototipo requiere piezas con retroceso, estas piezas se fabrican como piezas sueltas del patrón que se sujetan con pasadores.

La arena de moldeo está especialmente constituida con la mezcla adecuada de componentes para que tenga las características necesarias para la fundición de metales. Debe mantener su forma, no soltar demasiada humedad y dar un acabado de buena calidad. Se empaqueta arena alrededor del patrón de madera suelto para formar un molde, que luego se puede usar para hacer el prototipo de metal.

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

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

Casting de inversión

La fundición de inversión también es un proceso de fundición de metales, pero utiliza una técnica diferente para hacer el patrón para crear el molde. El primer paso es la creación de un patrón de cera que coincida con el diseño del prototipo. Históricamente, los patrones de cera se han hecho con máquinas de moldeo por inyección o prensas de cera, pero los nuevos materiales y el desarrollo de la impresión 3D han creado una oportunidad para que los patrones de microfusión se hagan de manera más fácil y rápida.

Una vez realizado el patrón, se reviste de material cerámico que toma la forma del patrón a medida que se fragua. Luego, el molde se calienta hasta que la cera se derrita y fluya fuera del molde de fundición, de ahí su nombre alternativo, fundición a la cera perdida. Siguen los procesos de fundición de fundición estándar, donde el metal fundido se vierte en el molde. Cuando el metal se ha enfriado y solidificado, el molde de cerámica se rompe, dejando el prototipo de metal listo para el acabado.

Las ventajas de este método de creación rápida de prototipos son similares a las del patrón de madera suelto, con el beneficio adicional de tolerancias y acabados más finos.

Fabricación de prototipos metálicos

Los materiales metálicos comunes incluyen láminas, varillas, tubos, barras y alambre. Cualquiera de estos se puede utilizar como materia prima para fabricar un prototipo de metal como un paso secundario posterior, en lugar de mediante la fabricación primaria, como la fundición o la impresión 3D.

Para la fabricación de prototipos de chapa metálica, se pueden emplear muchos procesos diferentes para fabricar un prototipo. Por ejemplo, el modelo físico podría aplanarse y colocarse sobre una lámina de metal para usarlo como plantilla, luego se podrían usar láseres o antorchas para cortar contornos y aberturas, y para marcar curvas. Se pueden usar prensas para doblar el metal en los límites marcados, y se puede usar equipo de soldadura especializado para unir las piezas.

Los tubos se pueden utilizar para la creación de prototipos procesándolos a través de una serie de operaciones diversas para crear una pieza prototipo que coincida con el diseño:

• Destellos - ampliar la abertura al final de un tubo en forma de embudo
• Estampado - reducir o aumentar el diámetro del tubo
• Hoyuelos - pequeñas deformaciones en la superficie del metal
• Doblado - crear formas mediante la inserción de curvas en puntos definidos en la tubería
• Aplanamiento - usando una prensa para comprimir el tubo
• Piercing - creando agujeros en el material
• Expansión - usando calor y herramientas para abrir el diámetro de la tubería

La principal ventaja de fabricar un prototipo de metal a partir de materiales de stock es la eficiencia del tiempo. No se necesitan patrones o moldes, y las materias primas están disponibles en el estante. La desventaja es que algunos diseños de prototipos serán demasiado complejos para los procesos de fabricación estándar y, por lo tanto, no se pueden realizar con esta técnica.

Mecanizado de prototipos metálicos

El mecanizado es cualquier proceso en el que una pieza de materia prima se corta en la forma y el tamaño finales deseados mediante un proceso controlado de eliminación de material, también conocido como fabricación sustractiva. Se puede utilizar para fabricar diversos productos metálicos, así como materiales como madera, plástico, cerámica y compuestos. En la producción moderna, el mecanizado se realiza mediante control numérico por computadora (CNC).

CNC es el control computarizado de equipos de maquinado para fabricar una pieza de acuerdo a un diseño 3D. Los equipos de mecanizado incluyen tornos, fresadoras, enrutadores, taladros y amoladoras. La materia prima para las máquinas CNC son productos de metal en stock, como placas y barras de acero.

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

La ventaja de las 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. Se pueden fabricar prototipos más complejos utilizando máquinas CNC que mediante operaciones manuales. Una desventaja de mecanizar piezas es que la pieza se fabrica quitando metal de la materia prima y esto da como resultado un desperdicio. Aunque el material de desecho se puede reciclar, se producirán implicaciones económicas y pérdidas.

Estudios de casos sobre creación rápida de prototipos

Industria del automóvil

La investigación muestra que los desarrollos en la 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 sobre automoción destaca el hecho de que probar la aerodinámica de ciertas piezas de automóviles es fundamental para medir su impacto en el rendimiento del automóvil. A medida que se obtienen los resultados de las pruebas, se pueden realizar pequeños ajustes en el diseño y se vuelve a imprimir un nuevo prototipo muy rápidamente. Para las pruebas aerodinámicas, no es esencial que la pieza esté hecha del material final, ya que lo que se prueba es la forma, no la resistencia. La impresión 3D está ayudando a los 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 conjunto de anillos de dos partes con un espacio para una tarjeta micro SD en el espacio interno. Los primeros prototipos se fabricaron mediante sinterización directa de metal por láser (DMLS), pero el acabado superficial de menor calidad y el ensamblaje deficiente llevaron a investigar el uso de una máquina CNC con mecanizado por descarga electrostática. El rendimiento mejorado del prototipo destacó las ventajas del CNC en esta aplicación específica.

Industria de alta tecnología

Reducir los costes de desarrollo es un imperativo económico para muchas empresas de alta tecnología a medida que introducen sus nuevas creaciones en el mercado. Cuando Icon Aircraft lanzó el proyecto para su avión recreativo A5, invirtió mucho tiempo y energía para encontrar la forma más rentable y eficiente de construir sus componentes para la creación de prototipos y la producción en masa. Un estudio de caso indica que Icon Aircraft ganó de 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 herramientas especializadas.

Industria aeronáutica

El premio de la American Foundry Society a la pieza fundida del año 2017 se otorgó a una empresa que desarrolló una nueva pieza fundida para la estructura de un asiento de pasajero de avión. Históricamente, este componente estructural estaba hecho de una sola palanquilla, pero un proceso de diseño e ingeniería detallados dio como resultado una estructura de celosía hecha de magnesio, un material que es más liviano que el aluminio, pero que no se puede imprimir en 3D. El prototipo de fundición arrojó un producto que tiene la resistencia requerida pero es mucho más liviano que las piezas mecanizadas existentes. Se calcularon ahorros de $100k/año en un avión de un solo pasajero en base a la reducción en los costos de combustible debido a los asientos más livianos, así como las reducciones de emisiones asociadas.

Prototipado rápido y el camino por recorrer

Un número creciente de métodos para la fabricación rápida de prototipos está disponible para innovadores e ingenieros. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas. Los procesos de fundición son adecuados para aplicaciones en las que el prototipo debe fabricarse con el mismo material que el producto terminado, 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 se puede usar para cortar metal de un producto en stock donde la complejidad no es demasiado severa y aún se pueden usar procesos estándar como fresado y esmerilado.

Sir James Dyson es un inventor, empresario e ingeniero icónico, más famoso por su desarrollo del sistema de vacío ciclónico que reemplazó a los sistemas de vacío de bolsa en los sistemas de limpieza del hogar. En una fascinante entrevista con la BBC, Dyson reveló que su invento tardó cinco años en perfeccionarse y un total de 5127 ajustes y modificaciones diferentes. Él es un firme creyente en el antiguo lema:"Si al principio no tienes éxito, inténtalo, inténtalo de nuevo". La historia de Dyson destaca la realidad de que los desarrolladores e ingenieros de productos necesitan múltiples iteraciones de desarrollo y mejora para llevar nuevos productos al mercado. Las mejoras en la creación rápida de prototipos continuarán reduciendo las ineficiencias y los costos en beneficio de los innovadores y los consumidores por igual.

Referencias

• 3 personas. "Conceptos básicos de impresión 3D”
• Acero Marlín. “Impresión 3D frente a fabricación tradicional”
• Inventos mecánicos. "Tipos de patrones"
• Ingeniería mecánica. "Patrones de moldeado / Patrones de fundición en arena / Patrones y moldes"
• miBot. “Hacer moldes y patrones de arena”
• La Biblioteca de Manufactura. “Casting de inversión”
• Gestión y Tecnología de Fundición. "Hacer de Casting de Inversión una Mejor Inversión"
• Red de Thomas. "Más sobre el mecanizado CNC"
• Chapa rápida. “Fabricación rápida de prototipos”
• Mecanismos creativos. “Todo lo que necesita saber sobre las máquinas CNC”
• Wikipedia. "Mecanizado"