Prototipado rápido explicado: Beneficios, técnicas y niveles de fidelidad

El prototipado rápido, realizado comúnmente mediante fabricación aditiva, permite a un diseñador desarrollar múltiples iteraciones de un prototipo sin el coste adicional ni el tiempo que conllevan las técnicas tradicionales de fabricación y diseño.

¿Cuáles son los diferentes tipos de prototipado rápido?

La fidelidad de un prototipo —es decir, cuán cerca está del producto final— varía por proyecto, en un espectro de fidelidad baja a alta.

¿Qué es el prototipado de baja fidelidad?

Nos referimos a baja fidelidad cuando un prototipo se ajusta vagamente al producto final. El prototipo puede usarse para probar el ajuste o la función general sin optimizar el diseño para peso, fabricabilidad o acabado. También puede usarse para probar el diseño solo en áreas clave de interés para el diseñador o para crear una versión a escala reducida del producto final. Una ventaja de los prototipos de baja fidelidad es que suelen tardar mucho menos en imprimirse.

¿Qué es el prototipado de alta fidelidad?

Nos referimos a alta fidelidad cuando un prototipo se ajusta estrechamente al producto final —incluyendo geometría, tolerancias y propiedades del material. Los prototipos de alta fidelidad suelen tardar más en imprimirse y tienen costes asociados más altos.

¿Cuál es la fidelidad adecuada para su prototipo?

El nivel de fidelidad apropiado para una iteración de diseño dada depende de los objetivos generales del proyecto, la madurez del diseño y los intereses del diseñador. Determinar el nivel de fidelidad adecuado en el prototipado rápido puede ahorrar tiempo en el proceso de diseño y optimizar la asignación de recursos.

Para una sola iteración, diferentes atributos del prototipo como geometría, propiedades del material, ajuste y acabado pueden considerarse en diferentes niveles de fidelidad. Estas consideraciones impactan la fidelidad general del prototipo.

Lea nuestro caso de estudio

¿Cuáles son los procesos de prototipado rápido más comunes?

Este resumen de alto nivel presenta técnicas comunes de fabricación aditiva típicamente usadas en procesos de prototipado rápido.

El prototipado rápido generalmente usa fabricación aditiva para crear piezas de prueba, modelos o ensamblajes. Sin embargo, dependiendo de los recursos disponibles y las necesidades del diseñador, otros procesos de fabricación más convencionales como fresado, rectificado o fundición pueden usarse.

Los procesos de prototipado comunes pueden dividirse en cinco grupos:

• Fotopolimerización en cuba

• Fusión de lecho de polvo

• Extrusión de material

• Inyección (jetting)

• Chorro de aglutinante (binder jetting)

Más información para cada proceso se detalla a continuación. Para una visión general de estos procesos de prototipado rápido, aprenda más sobre tecnologías de fabricación aditiva.

Fotopolimerización en cuba

Una pieza se crea capa a capa usando luz para convertir una resina fotopolímera en sólido.

Piezas SLA impresas sobre la mesa

La estereolitografía (SLA) puede producir piezas con muy alta precisión dimensional y detalles intrincados. Sin embargo, son generalmente frágiles y sus propiedades mecánicas pueden degradarse con el tiempo, haciendo que las piezas sean típicamente inadecuadas para prototipos funcionales. Este proceso es más adecuado para prototipado rápido de geometría de diseño y prueba de concepto de interfaces de piezas. También es adecuado para detalles en las etapas tempranas del diseño y cuando las propiedades mecánicas no son el foco principal del diseño.

El procesamiento de luz directa (DLP) es similar a SLA, con la principal diferencia en el nivel de detalle y propiedades del material. Las piezas producidas con DLP no tienen el mismo nivel de detalle intrincado que SLA, pero tienen precisión dimensional similar y resistencia de pieza considerada igual o superior a piezas de moldeo por inyección tradicionales. DLP es por tanto más adecuado para prototipado rápido de geometría de diseño y prueba de concepto cuando el foco del diseño es la geometría general en lugar de detalles específicos, o cuando las propiedades mecánicas son una prioridad.

DLP continuo (CDLP), al igual que DLP, produce piezas que no tienen el mismo nivel de detalle que SLA, pero tienen precisión dimensional similar y resistencia de pieza considerada igual o superior a piezas de moldeo por inyección tradicionales. CDLP es por tanto más adecuado para prototipado rápido de geometría de diseño y prueba de concepto cuando el foco del diseño es la geometría general en lugar de detalles específicos o cuando las propiedades mecánicas son una prioridad de diseño.

Fusión de lecho de polvo

Las tecnologías de fusión de lecho de polvo (PBF) producen una pieza sólida usando una fuente térmica que induce fusión, mediante sinterización o fundición, entre las partículas de un polvo plástico o metálico, capa a capa. Las principales variaciones en los procesos PBF están determinadas por las diferentes fuentes de energía (ej. láseres o haces de electrones) y polvos (plásticos o metales).

La sinterización selectiva por láser (SLS) usa materiales poliméricos termoplásticos en forma granular. Como las piezas SLS se imprimen usando muchas capas, pueden ocurrir pequeñas variaciones entre piezas. SLS puede ser por tanto menos efectivo para prototipos con detalles intrincados o tolerancias pequeñas. Un acabado superficial liso también es posible lograrlo cuando se usa post-procesado. SLS es más adecuado para prototipado rápido cuando la geometría de la pieza o el ajuste y función general son prioridades de diseño. SLS también puede ser ventajoso para prototipos de marketing o prueba de concepto si el post-procesado es factible.

La fusión selectiva por láser (SLM) y la sinterización directa por láser de metal (DMLS) pueden usarse para una amplia variedad de materiales metálicos y típicamente requieren post-procesado para acabado superficial. Estos procesos son por tanto más adecuados para prototipado rápido cuando las propiedades del material son una prioridad de diseño. Pueden ser rentables si el acabado de la pieza no es una preocupación.

Fusión por haz de electrones (EBM), al igual que SLM y DMLS, es más adecuada para prototipado rápido cuando las propiedades del material son una prioridad de diseño y puede ser rentable si el acabado de la pieza no es una preocupación. La principal diferencia es que EBM tiene aplicaciones de material limitadas (aleaciones de titanio o cobalto-cromo), aunque puede ser la opción más apropiada para industrias especializadas que requieren estos materiales, como los sectores aeroespacial y médico.

Fusión por chorro múltiple (MJF) es muy similar a SLS, pero con tiempos de enfriamiento y post-procesado más cortos y mayor precisión y detalle. Una comparación en profundidad de los procesos SLS y MJF puede encontrarse aquí. Al igual que SLS, MJF es más adecuado para prototipado rápido cuando la geometría de la pieza o el ajuste y función general son una prioridad de diseño y también puede usarse para soportar mayor nivel de detalles o tolerancias más ajustadas que SLS.

El modelado por deposición fundida (FDM) es un proceso muy versátil para una amplia gama de materiales termoplásticos con un plazo de producción corto. Un inconveniente es que la precisión dimensional y resolución de FDM son menores que las de otros procesos de fabricación aditiva. FDM es más adecuado para fases tempranas de la fase de prototipado, cuando la geometría de la pieza o el ajuste y función general son una prioridad de diseño. También es más adecuado cuando el material de la pieza final es similar al del prototipo, pero no hay preocupación por detalles como pruebas funcionales o de fiabilidad.

La inyección de material (material jetting) se considera una de las tecnologías de impresión 3D más precisas y puede usarse con una amplia gama de materiales en diversos colores y acabados. Sin embargo, las propiedades del material no son adecuadas para prototipos funcionales. La inyección de material es mejor usada para prototipado rápido cuando la geometría de la pieza o el ajuste son una prioridad de diseño y no se requiere resistencia de la pieza. También es más adecuada cuando no hay preocupación por las propiedades del material, como prueba de concepto o prototipos de marketing.

Inyección de nanopartículas (NJP) deposita un líquido que contiene nanopartículas metálicas o de soporte sobre la bandeja de construcción en capas extremadamente finas de gotas. El sobre de construcción se expone a altas temperaturas, que hacen evaporar el líquido y dejan atrás la estructura metálica de la pieza.

Inyección a demanda (DOD) las impresoras de inyección de material tienen dos chorros de impresión: uno para depositar los materiales de construcción (típicamente un líquido similar a cera) y otro para material de soporte disoluble. Las impresoras DOD depositan material en una trayectoria puntual y emplean un cortador volante que recorta el área de construcción tras cada capa para preparar la superficie para la siguiente capa.

Chorro de aglutinante

Las piezas hechas con chorro de aglutinante tienen un alto acabado y forma, aunque son frágiles. El chorro de aglutinante es más adecuado para prototipado rápido cuando el ajuste general o la geometría de la pieza son una prioridad de diseño y no hay preocupación por las propiedades del material, como prueba de concepto o prototipos de marketing.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas del prototipado rápido?

Comparado con las técnicas tradicionales de fabricación y diseño, el prototipado rápido usa técnicas de fabricación modernas que mejoran el proceso de diseño, incluyendo mejoras en coste y tiempo globales. Pero al considerar el prototipado rápido, evite los escollos del uso excesivo, mal uso y tergiversación.

Aquí tiene una visión general de las ventajas y desventajas.

Ventajas del prototipado rápido

• Visualización y prueba 3D más temprana

• Más iteraciones de diseño a menor coste

• Herramienta rentable para diseño de producto e investigación y desarrollo

Desventajas del prototipado rápido

• El uso excesivo puede no tener impacto positivo en el ahorro de costes o tiempo

• No es beneficioso para todas las etapas del proceso de prototipado

¿Cuáles son las aplicaciones comerciales del prototipado rápido?

Las aplicaciones del prototipado rápido para diseño y fabricación 3D están limitadas solo por la creatividad del diseñador. Pueden usarse en todas las etapas del proceso de diseño y fabricación. Los casos de uso más populares se dan a continuación.

Prueba de concepto

Una aplicación común es la prueba de concepto. Los prototipos 3D pueden producirse rápida y tempranamente en el proceso de diseño para evaluar la viabilidad del producto, facilitar discusiones del equipo de diseño, generar interés de partes interesadas clave (ej. marketing y partes de inversión), y comparar diferentes alternativas de diseño. La principal ventaja que los procesos de prototipado rápido proporcionan para aplicaciones de prueba de concepto son mejoras en coste y tiempo para prototipos 3D.

Optimización de diseño

El prototipado rápido es también una forma rentable de acelerar la optimización, incluyendo diseño de producto e investigación y desarrollo. Un equipo de diseño puede evaluar la funcionalidad general del producto o enfocarse en atributos clave (ej. geometría, ajuste, propiedades del material, fabricabilidad) más temprano en el proceso de diseño sin incurrir en costes asociados con procesos de fabricación tradicionales.

Prototipos de alta fidelidad

Gracias a la versatilidad de los procesos y materiales de fabricación aditiva, el prototipado rápido puede usarse para crear prototipos de alta fidelidad que se ajusten estrechamente al producto final. Esto a menudo permite a los diseñadores demostrar la funcionalidad del producto o realizar pruebas de fiabilidad a menor coste o más rápido que los procesos de fabricación tradicionales.

¿Quiere prototipar como un profesional? Vea este vídeo sobre impresión 3D FDM.