Creación rápida de prototipos:la evolución de la impresión 3D

Creación rápida de prototipos ha sido, desde sus inicios, una de las principales ventajas de la fabricación aditiva. Si bien los prototipos pueden llevar días, semanas o incluso meses utilizando tecnologías anteriores, con la fabricación aditiva, los prototipos se pueden producir prácticamente de la noche a la mañana, lo que acelera significativamente la etapa de diseño y desarrollo del producto.

La capacidad de crear conceptos o duraderos , los prototipos funcionales en una fracción del tiempo hacen que la impresión 3D sea la solución ideal para pasar de la ideación a la producción mucho más rápido. Hoy, analizaremos la evolución de la creación rápida de prototipos y AM, y su valor para la etapa de desarrollo del producto.

¿Qué es la creación rápida de prototipos?

La creación rápida de prototipos se refiere a la producción rápida de modelos y prototipos utilizando datos CAD. Dichos modelos se prueban y validan visual y / o funcionalmente durante la etapa de desarrollo del producto.

Existen múltiples beneficios de la creación rápida de prototipos, entre otras cosas porque proporciona una forma rentable de evaluar y probar el rendimiento antes de producir el producto final. Si bien se pueden utilizar otros métodos, como el moldeo por inyección, para la creación de prototipos, es posible que esta no siempre sea la opción correcta, debido a los altos costos de herramientas involucrados y la incapacidad de realizar cambios de diseño rápidos.

La búsqueda de soluciones de diseño más innovadoras y una velocidad de comercialización más rápida ha llevado, por lo tanto, al desarrollo de procesos más eficientes, especialmente adecuados para la creación rápida de prototipos, que es como surgió por primera vez la impresión 3D.

Llevando la creación de prototipos a un nuevo nivel

Con la llegada de la impresión 3D, los diseñadores e ingenieros de productos tienen una forma de llevar la creación de prototipos al siguiente nivel. La tecnología no requiere herramientas (eliminando la necesidad de herramientas costosas), se adapta bien a la producción de bajo volumen y puede producir piezas en un período de tiempo mucho más corto. Esto significa que los prototipos se pueden producir mucho más rápido y de manera más rentable, y dado que todas las piezas impresas en 3D se originan a partir de archivos CAD digitales, los diseños también se pueden actualizar y ajustar mucho más fácilmente.

La creación rápida de prototipos también puede ayudar a los ingenieros a decidir el diseño final antes de pasar a producción, lo que reduce la probabilidad de errores costosos. Por ejemplo, los diseñadores de productos de Wöhler, un fabricante alemán de tecnología de metrología e inspección, imprimieron recientemente en 3D un prototipo funcional de un dispositivo medidor de humedad de madera, con una estética cercana al producto final. El prototipo del dispositivo constaba de componentes rígidos y flexibles, y tenía que estar fabricado con diferentes materiales. Para ello, la empresa utilizó resinas de grado de ingeniería de estereolitografía (SLA) para crear un prototipo duradero capaz de resistir pruebas funcionales sin ningún daño.

Los prototipos funcionales son particularmente cruciales en la etapa de desarrollo del producto, ya que brindan la oportunidad de probar las propiedades mecánicas de una pieza final.

Creación rápida de prototipos:las tecnologías de impresión 3D

La aparición de tecnologías de impresión 3D ha llevado la noción de prototipos a nuevas alturas. Los prototipos funcionales ahora se pueden producir en cuestión de horas y en una variedad de plásticos y metales, gracias a los avances en la tecnología AM.

Estereolitografía

La aparición de la estereolitografía (SLA) en la década de 1980 marcó el comienzo de la era de la creación rápida de prototipos. La tecnología utiliza un láser ultravioleta para curar y solidificar capas ultrafinas de resina de fotopolímero y es una opción para los prototipos que requieren precisión o un acabado superficial suave. Las primeras impresoras SLA eran máquinas grandes y poco fiables que producían modelos con superficies rugosas. Sin embargo, tres décadas después, SLA se ha convertido en una herramienta bien establecida y rentable para producir piezas con alta precisión dimensional y un acabado superficial suave. En la actualidad, existen muchas ofertas de máquinas SLA en el mercado, desde impresoras de escritorio hasta máquinas industriales más grandes. SLA también ofrece una gran variedad de materiales, con una amplia gama de materiales de resina en oferta.

Si bien SLA se considera una de las tecnologías de impresión 3D más rápidas disponibles, los avances recientes en las tecnologías de polimerización en cubas (a las que SLA pertenece) han llevado al desarrollo de procesos potencialmente más rápidos. Un ejemplo es la tecnología de producción de interfaz líquida continua (CLIP) de Carbon. Introducido en 2015, CLIP se puede utilizar para crear prototipos funcionales y piezas finales con propiedades mecánicas, resolución y acabados superficiales que son muy similares a las piezas moldeadas por inyección.

Sinterización selectiva por láser

La sinterización selectiva por láser (SLS) es otra tecnología de impresión 3D temprana que surgió a fines de la década de 1980. El proceso implica la fusión de material plástico en polvo utilizando un potente láser. Se utiliza con mayor frecuencia en industrias como la aeroespacial y la medicina, donde las propiedades del material del prototipo son críticas.

Con el tiempo, SLS ha evolucionado hasta convertirse en una tecnología de fabricación madura que ofrece una combinación de alta precisión, velocidad, durabilidad y falta de estructuras de soporte requeridas, por lo que normalmente se elige para prototipos funcionales más complejos. Aunque inicialmente la tecnología solo podía producir objetos pequeños, hoy en día los sistemas SLS pueden producir prototipos en una variedad de tamaños, y algunas de las máquinas más grandes imprimen piezas de un metro de largo o más. Una amplia gama de materiales, desde nailon y cerámica hasta varios metales, también se pueden utilizar con SLS, lo que lo convierte en una excelente opción de creación de prototipos para aplicaciones comerciales.

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Históricamente, los sistemas SLS han sido más costosos de adquirir para las empresas (con un costo de cientos de miles de dólares). Sin embargo, en 2014, la patente de la tecnología expiró, dando lugar a alternativas más asequibles, como la impresora 3D de sobremesa Formlabs Fuse 1.

Modelado por deposición fundida

Desde su aparición en el mercado por parte de Stratasys en la década de 1990, Fused Deposition Modeling (FDM) se ha convertido en la tecnología de impresión 3D más utilizada. Esto se explica en parte por la expiración de varias patentes de FDM en 2009, que desde entonces ha dado lugar a una ola de impresoras 3D de escritorio FDM a un precio significativamente más bajo, lo que convierte a la tecnología en un excelente punto de entrada para aficionados y empresas por igual.

Con FDM, los filamentos termoplásticos se extruyen a través de la plataforma de impresión una capa a la vez. La gama de materiales aptos para FDM también ha aumentado significativamente:hoy en día, los fabricantes pueden elegir entre termoplásticos con diversas propiedades, desde TPU elástico hasta ABS duradero y reforzado, hasta materiales de alto rendimiento como PEEK, lo que permite una mayor flexibilidad en la producción de prototipos funcionales.

Creación de prototipos a todo color y multimaterial

Aglutinante y chorro de material

La aparición de la impresión 3D en color y multimaterial a principios de la década de 2000 ha creado oportunidades interesantes para crear prototipos que sean una réplica exacta de la pieza final. Binder y Material Jetting son dos tecnologías clave que se utilizan cada vez más para crear modelos que pueden representar la apariencia de una pieza final. Las posibilidades multicolores de estos procesos también ayudan a agilizar los pasos de posprocesamiento, como la pintura. La principal diferencia entre las dos tecnologías es que Binder Jetting utiliza un agente aglutinante para fusionar polvos plásticos, mientras que Material Jetting funciona depositando gotas de resinas fotocurables.

Con Material Jetting, no solo se pueden imprimir en 3D prototipos con diferentes colores, sino también piezas que combinan diferentes propiedades del material (por ejemplo, flexibles y rígidos simultáneamente). Esto abre muchas oportunidades para crear modelos que realicen el ajuste y la función de la pieza final. Por ejemplo, la impresora 3D J750 de Stratasys es lo último en sistemas de inyección de material de la empresa. La J750 se basa en la tecnología PolyJet patentada de Stratasys y ofrece impresión 3D multicolor y multimaterial con 6 materiales diferentes simultáneamente.

La impresión 3D en color de alta calidad está creciendo a un ritmo rápido, particularmente con la aparición de la tecnología Multi Jet Fusion (MJF) de HP, que funciona de manera similar a Binder Jetting. Se dice que MJF agrega aún más precisión, intensidad de color y calidad de superficie a las piezas impresas en 3D, produciendo prototipos funcionales de nailon en tan solo un día. La tecnología Multi Jet también se puede utilizar para crear moldes de inyección para producir piezas para pruebas, prácticamente lo mismo que la pieza final.

Creación de prototipos de metal

Ciertas aplicaciones, como en los campos aeroespacial y automotriz, requieren prototipos metálicos funcionales únicos para validar el desempeño de una pieza. Afortunadamente, la impresión 3D ha hecho que la creación de prototipos sea económica no solo con plásticos, sino también con metal. La combinación de menor desperdicio de material, producción sin herramientas y mayor libertad de diseño ha hecho de la impresión 3D de metal una opción atractiva para la creación de prototipos.

Y los desarrollos dentro de la impresión 3D de metal han tenido implicaciones para la producción de prototipos de metal funcionales. Markforged, por ejemplo, tiene su sistema Metal X, capaz de imprimir piezas metálicas mediante moldeo por inyección de metal (MIM) en una fracción del tiempo y el costo de las impresoras 3D de metal tradicionales.

Una advertencia:el uso de tecnologías convencionales como el mecanizado CNC o la fundición puede ser preferible cuando se necesitan cantidades mayores, aunque la impresión 3D es a menudo la opción más práctica para lotes pequeños de prototipos con características internas complejas.

¿Dónde se utilizan los prototipos rápidos?

Productos médicos, automotrices, aeroespaciales, de consumo, lo que sea:casi todas las industrias verticales ya se están beneficiando del uso de la impresión 3D para producir prototipos.

Tomemos el sector de la automoción, por ejemplo, donde la creación rápida de prototipos sigue siendo la principal aplicación de la tecnología aditiva. Fabricante de automóviles Ford ha podido ahorrar meses en el tiempo de entrega mediante el uso de la impresión 3D para la creación de prototipos. Los ingenieros de Ford pueden utilizar la impresión 3D para producir varias copias de un prototipo simultáneamente, cada una con una característica única. Esto les permite realizar pruebas en paralelo, acelerando y mejorando el desarrollo de piezas. Recientemente, Ford se ha embarcado en la creación rápida de prototipos de piezas automotrices más grandes. Usando la impresora 3D Infinite Build de Stratasys, la compañía planea desarrollar piezas nuevas y livianas con el objetivo de mejorar la eficiencia del combustible.

La creación rápida de prototipos a través de la impresión 3D también se usa cada vez más para desarrollar productos electrónicos, particularmente placas de circuito impreso. (TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO). PHYTEC , un proveedor de soluciones de vanguardia para el mercado industrial integrado, recurrió a la impresora 3D DragonFly 2020 de Nano Dimension para desarrollar placas de circuitos funcionales.

La máquina utiliza tecnología de impresión 3D multimaterial, que deposita tintas conductoras y puede imprimir en 3D una PCB en 12 a 18 horas, de 10 a 15 veces más rápido que pedir y fabricar PCB con métodos tradicionales. Esto permite que la empresa reciba prototipos funcionales antes durante la etapa de desarrollo, lo que reduce sustancialmente el tiempo del ciclo de desarrollo y, en última instancia, mejora la calidad del producto final.

RP e impresión 3D:aún en evolución

La impresión 3D para la creación rápida de prototipos ha recorrido un largo camino desde la década de 1980 y se ha convertido en una solución de fabricación sólida. Para las empresas nuevas en la tecnología, la impresión 3D ofrece una solución ideal para producir prototipos funcionales fiables y acelerar la fase de diseño y desarrollo del producto. Las preguntas clave serán cómo integrar la tecnología en los marcos y procesos existentes, para garantizar que las empresas puedan aprovechar mejor los beneficios de las tecnologías de fabricación digital.

Por supuesto, si bien hemos analizado la evolución de la impresión 3D para la creación rápida de prototipos, el mercado también está viendo un movimiento hacia la impresión 3D para piezas finales. De cara al futuro, la impresión 3D seguirá avanzando hacia la producción final, convirtiéndose en una solución de fabricación flexible en todas las etapas de desarrollo y producción.