Guía de creación rápida de prototipos para el desarrollo de productos

La creación de prototipos es una parte crucial del proceso de desarrollo de productos, pero tradicionalmente ha sido un cuello de botella.

Los diseñadores e ingenieros de productos crearían modelos improvisados ​​de prueba de concepto con herramientas básicas, pero la producción de prototipos funcionales y piezas de calidad de producción a menudo requería los mismos procesos que los productos terminados. Los procesos de fabricación tradicionales, como el moldeo por inyección, requieren herramientas y configuraciones costosas, lo que hace que los prototipos personalizados de bajo volumen sean prohibitivamente costosos.

La creación rápida de prototipos ayuda a las empresas a convertir ideas en pruebas de concepto realistas, hace avanzar estos conceptos a prototipos de alta fidelidad que se ven y funcionan como productos finales y guía los productos a través de una serie de etapas de validación hacia la producción en masa.

Con la creación rápida de prototipos, los diseñadores e ingenieros pueden crear prototipos directamente a partir de datos CAD más rápido que nunca y ejecutar revisiones rápidas y frecuentes de sus diseños basándose en pruebas y comentarios del mundo real.

En esta guía, aprenderá cómo la creación rápida de prototipos encaja en el proceso de desarrollo de productos, sus aplicaciones y qué herramientas de creación rápida de prototipos están disponibles para los equipos de desarrollo de productos de hoy.

¿Qué es la creación rápida de prototipos?

La creación rápida de prototipos es el grupo de técnicas que se utilizan para fabricar rápidamente un modelo a escala de una pieza física o ensamblaje utilizando datos de diseño asistido por computadora (CAD) tridimensionales. Debido a que estas piezas o ensamblajes generalmente se construyen utilizando técnicas de fabricación aditiva en lugar de los métodos sustractivos tradicionales, la frase se ha convertido en sinónimo de fabricación aditiva e impresión 3D.

La fabricación aditiva es un complemento natural para la creación de prototipos. Proporciona una libertad de forma casi ilimitada, no requiere herramientas y puede producir piezas con propiedades mecánicas que coinciden estrechamente con varios materiales fabricados con métodos de fabricación tradicionales. Las tecnologías de impresión 3D han existido desde la década de 1980, pero su alto costo y complejidad limitaron su uso a las grandes corporaciones, o obligaron a las empresas más pequeñas a subcontratar la producción a servicios especializados, esperando semanas entre iteraciones posteriores.

Con la impresión 3D, los diseñadores pueden iterar rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos, y llegar a la producción más rápido.

El advenimiento de la impresión 3D de escritorio y de sobremesa ha cambiado este status quo e inspiró una oleada de adopción que no da señales de detenerse. Con la impresión 3D interna, los ingenieros y diseñadores pueden iterar rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos. Ahora es posible crear prototipos en un día y realizar múltiples iteraciones de diseño, tamaño, forma o ensamblaje en función de los resultados de pruebas y análisis de la vida real. En última instancia, el rápido proceso de creación de prototipos ayuda a las empresas a comercializar mejores productos más rápido que la competencia.

Papel blanco

Introducción a la impresión 3D con estereolitografía de escritorio (SLA)

¿Busca una impresora 3D para realizar sus modelos 3D en alta resolución? Descargue nuestro informe técnico para saber cómo funciona la impresión SLA y por qué es el proceso de impresión 3D más popular para crear modelos con detalles increíbles.

Descarga el Libro Blanco

Ventajas de la creación rápida de prototipos

Descubra y explore conceptos más rápido

La creación rápida de prototipos eleva las ideas iniciales a exploraciones de conceptos de bajo riesgo que parecen productos reales en poco tiempo. Permite a los diseñadores ir más allá de la visualización virtual, lo que facilita la comprensión de la apariencia del diseño y la comparación de conceptos uno al lado del otro.

Comunicar ideas de manera eficaz

Los modelos físicos permiten a los diseñadores compartir sus conceptos con colegas, clientes y colaboradores para transmitir ideas de formas que no son posibles simplemente visualizando diseños en la pantalla. La creación rápida de prototipos facilita la retroalimentación clara y procesable de los usuarios que es esencial para que los creadores comprendan las necesidades de los usuarios y luego refinen y mejoren sus diseños.

Diseñe los cambios de forma iterativa e instantánea

El diseño es siempre un proceso iterativo que requiere múltiples rondas de pruebas, evaluación y refinamiento antes de llegar a un producto final. La creación rápida de prototipos con impresión 3D proporciona la flexibilidad para crear prototipos más realistas más rápido e implementar cambios al instante, elevando este proceso crucial de prueba y error.

Iteraciones consecutivas de un prototipo de pinza robótica Pick and Place en impresoras SLA de Formlabs.

Un buen modelo es un ciclo de diseño de 24 horas:diseñar durante el trabajo, imprimir piezas prototipo en 3D durante la noche, limpiar y probar al día siguiente, modificar el diseño y luego repetir.

Ahorre costos y tiempo

Con la impresión 3D, no hay necesidad de costosas herramientas ni configuraciones; el mismo equipo se puede utilizar para producir diferentes geometrías. La creación rápida de prototipos internamente elimina los altos costos y el tiempo de espera asociados con la subcontratación.

Interactivo

Calcule su ahorro de tiempo y costos

Pruebe nuestra herramienta interactiva de ROI para ver cuánto tiempo y costo puede ahorrar al imprimir en 3D en las impresoras 3D de Formlabs.

Calcule sus ahorros

Pruebe minuciosamente y minimice los defectos de diseño

En el diseño y la fabricación de productos, encontrar y corregir las fallas de diseño temprano puede ayudar a las empresas a evitar costosas revisiones de diseño y cambios de herramientas en el futuro.

La creación rápida de prototipos permite a los ingenieros probar a fondo los prototipos que se ven y funcionan como productos finales, lo que reduce los riesgos de problemas de usabilidad y fabricación antes de pasar a la producción.

Aplicaciones de creación rápida de prototipos

Gracias a una variedad de tecnologías y materiales disponibles, la creación rápida de prototipos respalda a los diseñadores e ingenieros durante todo el desarrollo del producto, desde los modelos de concepto inicial hasta la ingeniería, las pruebas de validación y la producción.

El proceso de desarrollo de hardware. Fuente:Ben Einstein, Bolt

Prototipos y modelos conceptuales de prueba de concepto (PoC)

Los modelos conceptuales o prototipos de prueba de concepto (POC) ayudan a los diseñadores de productos a validar ideas y suposiciones, y a probar la viabilidad de un producto. Los modelos de conceptos físicos pueden demostrar una idea a las partes interesadas, crear debates e impulsar la aceptación o el rechazo mediante exploraciones de conceptos de bajo riesgo.

La creación de prototipos de PoC ocurre en las primeras etapas del proceso de desarrollo del producto, y estos prototipos incluyen la funcionalidad mínima necesaria para validar las suposiciones antes de mover el producto a las etapas posteriores de desarrollo.

Una prueba de concepto debe ser simple, suficiente para imitar cómo funciona el producto. Por ejemplo, el POC para un soporte de carga podría ser simplemente un gabinete impreso en 3D conectado a un cable de carga USB estándar.

La clave para el modelado de conceptos exitoso es la velocidad; los diseñadores necesitan generar una gran cantidad de ideas antes de construir y evaluar modelos físicos. En esta etapa, la facilidad de uso y la calidad son de menor importancia y los equipos confían en las piezas listas para usar tanto como sea posible.

Los diseñadores del estudio suizo de diseño y consultoría Panter &Tourron utilizaron la impresión SLA 3D para pasar del concepto al escaparate en dos semanas.

Las impresoras 3D son herramientas ideales para respaldar el modelado de conceptos. Proporcionan un tiempo de respuesta inigualable para convertir un archivo de computadora en un prototipo físico, lo que permite a los diseñadores probar rápidamente conceptos adicionales. A diferencia de la mayoría de las herramientas de fabricación y de taller, las impresoras 3D de escritorio son aptas para la oficina, lo que evita la necesidad de un espacio dedicado.

Prototipos de apariencia

Los prototipos de apariencia representan el producto final en un nivel abstracto, pero pueden carecer de muchos de sus aspectos funcionales. Su propósito es dar una mejor idea de cómo se verá un producto final y cómo interactuará el usuario final con él. La ergonomía, las interfaces de usuario y la experiencia general del usuario se pueden validar con prototipos similares antes de dedicar un tiempo significativo al diseño y la ingeniería para desarrollar completamente las características del producto.

El desarrollo de prototipos de apariencia generalmente comienza con bocetos, modelos de espuma o arcilla, luego pasa al modelado CAD. A medida que los ciclos de diseño avanzan de una iteración a la siguiente, la creación de prototipos va y viene entre las representaciones digitales y los modelos físicos. A medida que se finaliza el diseño, los equipos de diseño industrial tienen como objetivo crear prototipos de apariencia que se asemejen con precisión al producto final utilizando los colores, materiales y acabados (CMF) reales que especifican para el producto final.

Prototipos de apariencia de la impresora 3D Form 2 SLA con diferentes soluciones para la colocación de cartuchos.

Prototipos similares a trabajos

Paralelamente al proceso de diseño industrial, los equipos de ingeniería trabajan en otro conjunto de prototipos para probar, iterar y refinar los sistemas mecánicos, eléctricos y térmicos que componen el producto. Estos prototipos similares a trabajos pueden verse diferentes del producto final, pero incluyen las tecnologías y funciones centrales que deben desarrollarse y probarse.

A menudo, estas funciones fundamentales fundamentales se desarrollan y prueban en subunidades independientes antes de integrarse en un único prototipo de producto. Este enfoque de subsistema aísla las variables, lo que facilita a los equipos dividir las responsabilidades y garantizar la confiabilidad en un nivel más granular antes de combinar todos los elementos.

Primeros prototipos similares a trabajos de la impresora 3D SLA de gran formato Form 3L.

Prototipos de ingeniería

El prototipo de ingeniería es donde el diseño y la ingeniería se encuentran para crear una versión mínima viable del producto comercial final, que está diseñado para la fabricación (DFM). Estos prototipos se utilizan para pruebas de usuario en laboratorio con un grupo selecto de usuarios principales, para comunicar la intención de producción a los especialistas en herramientas en las etapas posteriores y para actuar como demostrador en las primeras reuniones de ventas.

En esta etapa, los detalles se vuelven cada vez más importantes. La impresión 3D permite a los ingenieros crear prototipos de alta fidelidad que representan con precisión el producto terminado. Esto hace que sea más fácil verificar el diseño, el ajuste, la función y la capacidad de fabricación antes de invertir en herramientas costosas y pasar a la producción, cuando el tiempo y el costo para realizar el cambio se vuelven cada vez más prohibitivos.

El fabricante de cámaras de buceo Paralenz utilizó la impresión 3D para crear prototipos funcionales que resistieron las pruebas a más de 200 metros por debajo del nivel del mar.

Los materiales de impresión 3D avanzados pueden coincidir estrechamente con el aspecto, la sensación y las características del material de las piezas producidas con procesos de fabricación tradicionales, como el moldeo por inyección. Varios materiales pueden simular piezas con finos detalles y texturas, superficies suaves al tacto, lisas y de baja fricción, carcasas rígidas y robustas o componentes transparentes. Las piezas impresas en 3D se pueden terminar con procesos secundarios como lijado, pulido, pintura o galvanoplastia para replicar cualquier atributo visual de una pieza final, así como roscados para crear ensamblajes a partir de múltiples piezas y materiales.

Los ingenieros de Wöhler construyeron un prototipo de medidor de humedad con apariencia de trabajo a partir de múltiples materiales con una carcasa rígida y botones suaves al tacto.

Los prototipos de ingeniería requieren extensas pruebas funcionales y de usabilidad para ver cómo funcionará una pieza o ensamblaje cuando se someta a tensiones y condiciones de uso en el campo. La impresión 3D ofrece plásticos de ingeniería para prototipos de alto rendimiento que pueden soportar tensiones térmicas, químicas y mecánicas.

Pruebas de validación y fabricación

La creación rápida de prototipos permite a los ingenieros crear lotes pequeños, soluciones personalizadas únicas y subconjuntos para compilaciones de ingeniería, diseño y validación de productos (EVT, DVT, PVT) para probar la capacidad de fabricación.

La impresión 3D hace que sea más fácil probar las tolerancias teniendo en cuenta el proceso de fabricación real y realizar pruebas integrales internas y de campo antes de pasar a la producción en masa.

Las herramientas rápidas impresas en 3D también se pueden combinar con procesos de fabricación tradicionales como moldeo por inyección, termoformado o moldeo de silicona, para mejorar los procesos de producción mejorando su flexibilidad, agilidad, escalabilidad y rentabilidad. La tecnología también proporciona una solución eficiente para crear plantillas y accesorios de prueba personalizados para simplificar las pruebas funcionales y la certificación mediante la recopilación de datos consistentes.

La empresa de diseño de dispositivos médicos Coalesce utiliza plantillas personalizadas para realizar pruebas internas.

Con la impresión 3D, el diseño no tiene por qué terminar cuando comienza la producción. Las herramientas de creación rápida de prototipos permiten a los diseñadores e ingenieros mejorar continuamente los productos y responder rápida y eficazmente a los problemas en la línea con plantillas y accesorios que mejoran los procesos de ensamblaje o control de calidad.

Libro electronico

Cómo lograr el éxito con la creación rápida de prototipos impresos en 3D

Este libro electrónico cubre seis estudios de casos reales de empresas que impulsan la innovación y la mejora de
procesos tradicionales con impresión 3D.

Descarga el Libro Blanco

Herramientas y métodos de creación rápida de prototipos

Fabricación aditiva

La creación rápida de prototipos se ha convertido esencialmente en sinónimo de fabricación aditiva e impresión 3D. Hay varios procesos de impresión 3D disponibles, y los más utilizados para la creación rápida de prototipos son el modelado por deposición fundida (FDM), la estereolitografía (SLA) y la sinterización selectiva por láser (SLS).

Modelado de deposición fundida (FDM)

La impresión 3D FDM, también conocida como fabricación de filamentos fusionados (FFF), es un método de impresión 3D que construye piezas fundiendo y extruyendo filamentos termoplásticos, que una boquilla de impresora deposita capa por capa en el área de construcción.

FDM es la forma de impresión 3D más utilizada a nivel de consumidor, impulsada por la aparición de las impresoras 3D para aficionados. Sin embargo, las impresoras FDM profesionales también son populares entre diseñadores e ingenieros.

FDM tiene la resolución y precisión más bajas en comparación con otros procesos de impresión 3D de plástico y no es la mejor opción para imprimir diseños complejos o piezas con características intrincadas. Se pueden obtener acabados de mayor calidad mediante procesos de pulido químico y mecánico. Algunas impresoras 3D FDM profesionales utilizan soportes solubles para mitigar algunos de estos problemas.

FDM funciona con una gama de termoplásticos estándar, como ABS, PLA y sus diversas mezclas, mientras que las impresoras FDM más avanzadas también ofrecen una gama más amplia de termoplásticos de ingeniería o incluso compuestos. Para la creación rápida de prototipos, las impresoras FDM son particularmente útiles para producir piezas simples, como piezas que normalmente se pueden mecanizar.

Estereolitografía (SLA)

Las impresoras SLA 3D utilizan un láser para curar la resina líquida y convertirla en plástico endurecido en un proceso llamado fotopolimerización. SLA es uno de los procesos más populares entre los profesionales debido a su alta resolución, precisión y versatilidad de materiales.

Un prototipo rápido impreso en 3D de un reloj producido con la impresora 3D Form 3 SLA junto al producto final.

Las piezas SLA tienen la resolución y precisión más altas, los detalles más claros y el acabado de superficie más suave de todas las tecnologías de impresión 3D de plástico, lo que hace que SLA sea una excelente opción para prototipos de apariencia de alta fidelidad y prototipos de obras funcionales que requieren tolerancias estrictas.

Sin embargo, el principal beneficio de SLA radica en la versatilidad de su biblioteca de resinas. Los fabricantes de materiales han creado formulaciones innovadoras de resinas de fotopolímero SLA con una amplia gama de propiedades ópticas, mecánicas y térmicas para igualar las de los termoplásticos estándar, de ingeniería e industriales.

Con Draft Resin, la impresión SLA 3D es también una de las herramientas de creación de prototipos más rápidas, hasta 10 veces más rápida que la impresión 3D FDM.

Pieza de muestra

Solicite una pieza de muestra gratis

Vea y sienta la calidad de Formlabs de primera mano. Enviaremos una pieza de muestra gratis a su oficina.

Solicite una pieza de muestra gratuita

Sinterización selectiva por láser (SLS)

La sinterización selectiva por láser es la tecnología de fabricación aditiva más común para aplicaciones industriales, en la que confían ingenieros y fabricantes de diferentes industrias por su capacidad para producir piezas resistentes y funcionales.

Las impresoras 3D SLS utilizan un láser de alta potencia para fusionar pequeñas partículas de polvo de polímero. El polvo no fundido sostiene la pieza durante la impresión y elimina la necesidad de estructuras de soporte dedicadas. Esto hace que SLS sea ideal para geometrías complejas, incluidas características interiores, muescas, paredes delgadas y características negativas. Las piezas producidas con impresión SLS tienen excelentes características mecánicas, con una resistencia similar a la de las piezas moldeadas por inyección.

La impresión 3D SLS puede producir prototipos de ingeniería y prototipos sólidos y funcionales similares a trabajos para realizar pruebas funcionales rigurosas de los productos.

En la creación rápida de prototipos, la impresión SLS 3D se utiliza principalmente para prototipos similares a trabajos y prototipos de ingeniería para pruebas funcionales rigurosas de productos (por ejemplo:conductos, soportes) y comentarios de los clientes en el campo.

Pieza de muestra

Solicite una pieza de muestra gratis

Vea y sienta la calidad SLS de Formlabs de primera mano. Enviaremos una pieza de muestra gratis a su oficina.

Solicite una pieza de muestra gratuita

Herramientas CNC

Las herramientas de control numérico por computadora (CNC), a diferencia de FDM, SLA o SLS, son procesos de fabricación sustractivos. Comienzan con bloques sólidos, barras o varillas de plástico, metal u otros materiales que se moldean eliminando el material mediante corte, taladrado, taladrado y esmerilado.

Las herramientas CNC incluyen el mecanizado CNC, que elimina material mediante una herramienta giratoria y una pieza fija (fresado) o una pieza giratoria con una herramienta fija (torno). Las cortadoras láser utilizan un láser para grabar o cortar una amplia gama de materiales con alta precisión. Los cortadores de chorro de agua utilizan agua mezclada con abrasivo y alta presión para cortar prácticamente cualquier material. Las fresadoras y tornos CNC pueden tener múltiples ejes, lo que les permite gestionar diseños más complejos. Las cortadoras por láser y por chorro de agua son más adecuadas para piezas planas.

Las herramientas CNC pueden dar forma a piezas de plástico, metales blandos, metales duros (máquinas industriales), madera, acrílico, piedra, vidrio, compuestos. En comparación con las herramientas de fabricación aditiva, las herramientas CNC son más complicadas de configurar y operar, mientras que algunos materiales y diseños pueden requerir herramientas especiales, manipulación, posicionamiento y procesamiento, lo que las hace costosas para piezas únicas en comparación con los procesos aditivos.

En la creación rápida de prototipos, son diseños simples ideales, piezas estructurales, componentes metálicos y otras piezas que no son factibles o rentables de producir con herramientas aditivas.

Comparación rápida de herramientas de creación de prototipos

	Modelado por deposición fusionada (FDM)	Estereolitografía (SLA)	Sinterización selectiva por láser (SLS)	Herramientas CNC
Resolución	★★ ☆☆☆	★★★★★	★★★★ ☆	★★★★★
Precisión	★★★★ ☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Acabado de superficie	★★ ☆☆☆	★★★★★	★★★★ ☆	★★★★★
Facilidad de uso	★★★★★	★★★★★	★★★★ ☆	★★★ ☆☆
Diseños complejos	★★★ ☆☆	★★★★ ☆	★★★★★	★★★ ☆☆
Generar volumen	Hasta 300 x 300 x 600 mm (impresoras 3D de escritorio y de sobremesa)	Hasta 300 x 335 x 200 mm (impresoras 3D de escritorio y de sobremesa)	Hasta 165 x 165 x 300 mm (impresoras 3D industriales de sobremesa)	Depende de la herramienta
Materiales	Termoplásticos estándar, como ABS, PLA y sus diversas mezclas.	Variedades de resina (plásticos termoendurecibles). Estándar, de ingeniería (similar a ABS, similar a PP, similar a silicona, flexible, resistente al calor, rígido), moldeable, dental y médico (biocompatible).	Termoplásticos de ingeniería, normalmente nailon y sus compuestos (el nailon 12 es biocompatible + compatible con la esterilización).	Plásticos, metales blandos, metales duros (máquinas industriales), madera, acrílico, piedra, vidrio, compuestos.
Aplicaciones	Basic proof-of-concept models, low-cost prototyping of simple parts.	Quick prototypes, high-fidelity looks-like prototypes and functional works-like prototypes requiring tight tolerances and smooth surfaces.	Complex geometries, functional works-like prototypes and engineering prototypes.	Simple designs, structural parts, metal components.
Price Range	Budget printers and 3D printer kits start at a few hundred dollars. Higher quality mid-range desktop printers start around $2,000, and industrial systems are available from $15,000.	Professional desktop printers start at $3,500, large-format benchtop printers at $11,000, and large-scale industrial machines are available from $80,000.	Benchtop industrial systems start at $18,500, and traditional industrial printers are available from $100,000.	Small CNC machines start around $2,000, but professional tools go well beyond that. Basic engravers are available for less than $500, while mid-range laser cutters start around $3,500. Water jet cutters start around $20,000.

Get Started With Rapid Prototyping

Rapid prototyping is used in a variety of industries, by Fortune 500 companies and small businesses alike, to speed up development, decrease costs, improve communication, and ultimately create better products.

While 3D printing traditionally had been complex and cost-prohibitive, desktop and benchop 3D printers have made the technology accessible to any business.

Learn more about 3D printers and explore how leading manufacturers leverage 3D printing to save money and shorten lead times from design to production.