Cómo SLA y SLS Están Revolucionando el Prototipado Rápido

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Publicado el: 13 de julio de 2018, | Por Will, Gerente de Proyectos de WayKen

Con el desarrollo de la tecnología, la impresión 3D ha evolucionado a la realidad desde un mero concepto. La saturación de industrias hizo que el objetivo principal del fabricante no solo sea fabricar productos sino también usar métodos innovadores para producir más productos en un período de tiempo más corto para aumentar la producción. Así que los fabricantes hoy en día están usando diferentes técnicas de prototipado rápido. Estos métodos innovadores no solo ahorran tiempo sino que también son rentables. Una de esas técnicas de prototipado rápido que se emplea hoy en día es el uso de impresión 3D (prototipado SLA y prototipado SLS). La impresión 3D, además de ahorrar tiempo y costo, también produce el mejor prototipo funcional a partir de un modelo CAD 3D del producto.

Historia de la Impresión 3D

El concepto de impresión 3D es tan antiguo como 1981 cuando el Instituto de Investigación Industrial Municipal de Nagoya utilizó polímeros termoestables fotoendurecibles para fabricar modelos tridimensionales donde un patrón de máscara se usaba para controlar el área de exposición UV. Pero en ese momento su uso era menor debido a la restricción de materiales y software de modelado 3D. Tan temprano como 2000, China había importado equipos comerciales de prototipado rápido, entre las principales aplicaciones estaba la impresión 3D industrial. Se convirtió en una palabra popular en el mundo industrial en 2013 cuando dos empleados de NASA, Samantha Snabes y Matthew Fiedler, introdujeron el primer prototipo de una impresora 3D asequible, Gigabot.

Impresión 3D: Una Tendencia Principal en Prototipado Rápido

Desde reducir costos hasta aumentar eficiencia con innovación, muchas personas están emocionadas sobre el impacto que la impresión 3D tendrá en el futuro de la fabricación. Sin embargo, la verdad es que ya ha tenido un impacto significativo en la industria así como en clientes domésticos.

Una impresora 3D doméstica se usa como producto de I+D y para diseñar modelos 3D en las industrias. Pero es incorrecto decir que es solo un producto para clientes industriales. Ahora se está volviendo ampliamente popular entre clientes civiles debido a sus grandes aplicaciones. Principalmente es porque el material usado en impresión 3D se está volviendo más barato y fácilmente disponible con el paso del tiempo. Además, la impresora 3D ocupa mucho menos espacio comparado con métodos convencionales de sala de herramientas sustractivos como fresado CNC, torno y rectificado de precisión.

La disponibilidad del software de modelado hoy en día también está ayudando al desarrollo de esta tecnología. Generalmente, el modelo se guarda en formato STL que es un formato de archivo CAD para prototipado rápido que almacena datos basados en triangulaciones de modelos CAD. Pero este formato solía guardar el archivo en un gran número de estructuras de celosía que producían errores. Pero el software más nuevo guarda el archivo en Formato de Archivo de Fabricación Aditiva (AMF) que produce un menor número de errores. Además, estos software tienen una interfaz amigable para el usuario lo que hace fácil para usuarios domésticos e industriales modelar un modelo 3D del producto.

Un estudio reciente mostró que 6.7 millones de impresoras 3D serán enviadas mundialmente para 2020, lo que es 14 veces más que en 2016. A medida que nuevas tecnologías mejoren los usos de las impresoras 3D, la tecnología continuará llevando a la industria manufacturera a mayores alturas de gloria.

Figura 1: Envíos globales de unidades de impresoras 3D de 2015-2020

Tecnología de Impresión 3D

Cuando se trata de tecnología de impresión 3D, hay dos tecnologías más comúnmente usadas: Prototipado Rápido SLA y prototipado rápido SLS.

1. Prototipado Rápido SLA

El prototipado rápido SLA también conocido como Estereolitografía es un tipo de tecnología de impresión 3D que se usa para crear diferentes prototipos, modelos, patrones capa por capa usando la técnica de Fotopolimerización. La fotopolimerización es un proceso de moléculas enlazándose para formar polímeros bajo la acción de la luz. Así que básicamente la resina (material usado en crear el prototipo) se solidifica usando luz y rayos ultravioleta. De esta manera, el prototipo deseado se crea capa por capa usando prototipado rápido SLA.

Figura 2: Una figura mostrando los procesos de prototipado rápido SLA

Las radiaciones UV se usan para construir una forma preprogramada en la cuba de fotopolímero. Como los fotopolímeros son sensibles a las radiaciones UV, por lo tanto, la resina se solidifica y forma una sola capa del prototipo deseado. De esta manera, capas de resinas se solidifican hasta que el prototipo deseado se forma.

Los productos prototipados SLA tienen la más alta resolución y acabado superficial de todas las técnicas de prototipado rápido 3D pero su versatilidad radica en la resina usada. Con el desarrollo de la tecnología, los ingenieros de materiales han creado diferentes resinas usadas en prototipado SLA con propiedades que igualan a materiales termoplásticos de ingeniería estándar.

Usos

El prototipado rápido SLA se usa ampliamente en diferentes industrias para el desarrollo de productos desde su inicio.

· Modelado Médico

Los productos prototipados SLA se están usando en medicina desde que la tecnología fue introducida. Se usa para crear modelos anatómicos 3D de diferentes regiones del cuerpo de un paciente basándose en datos obtenidos de escáneres computarizados. Estos modelos se usan luego en ayuda de diagnóstico y tratamiento. Los cirujanos usan estos modelos ya que les asisten en cirugía mientras que los protésicos los usan para fabricar implantes de ajuste personalizado.

Figura 3: Un modelo producido por prototipado rápido SLA

· Prototipado

El prototipado rápido SLA también se usa para crear prototipos de materiales de forma regular/irregular a costo relativamente menor. Los prototipos hechos por el método de prototipado rápido SLA son capaces de ser mecanizados y patrones de varias operaciones de fundición de metal pueden formarse.

2. Prototipado Rápido SLS

El Sinterizado Selectivo por Láser, comúnmente llamado prototipado rápido SLS, usa el láser como solidificador para el material en polvo. Mayormente el material en polvo usado es nailon. El nailon es un termoplástico de ingeniería con impresionantes propiedades mecánicas y es ligero y estable. Este tipo de impresora 3D apunta automáticamente el láser al material en polvo causándolo solidificarse para crear la estructura requerida. El prototipado rápido SLS es diferente de la Fusión Selectiva por Láser como en SLM. El material se funde en lugar de sinterizarse como en prototipado rápido SLS.

Figura 4: Una figura mostrando los procesos de prototipado rápido SLS

El prototipado rápido SLS, como el prototipado rápido SLA, usa diseños asistidos por computadora para desarrollar el prototipo requerido con la ayuda de polvo sinterizado. Usa láser de alta potencia mayormente láser de dióxido de carbono que es una fuente de fusión de partículas pequeñas en forma de polvo para formar el prototipo requerido. El láser escanea las secciones transversales generadas por el modelo CAD y fusiona selectivamente los materiales sinterizados en la forma de un prototipo requerido. Después de que la sección transversal es escaneada, la cama de polvo se baja y una nueva capa de material se aplica en la parte superior hasta que el producto deseado se forma.

El material de nailon usado en prototipado rápido SLS lo hace útil para crear prototipos de alta resistencia mecánica así como prototipos resistentes a impacto, luz y agua. Menor costo de producción y alta productividad hacen que esta técnica sea bastante popular entre las industrias para prototipado rápido.

Usos

El prototipado rápido SLS se usa ampliamente en diferentes industrias para el desarrollo de productos desde su inicio

· Industria Aeroespacial

El prototipado rápido SLS es bastante popular entre industrias donde se requieren piezas de alta calidad en menores cantidades. Una tal industria es la industria aeroespacial donde se requieren prototipos para aviones. Como los aviones y otros vehículos aeroespaciales se construyen en menor número y permanecen en servicio por décadas, el prototipado rápido SLS se usa para producir piezas de alta calidad para la industria aeronáutica.

Figura 5: Un panel de compartimento producido por Airbus usando prototipado rápido SLS

· Prototipado de Geometrías Complejas

El prototipado rápido SLS se usa ampliamente en las industrias para producir geometrías con formas complejas usando su modelo CAD. Es porque el prototipado rápido SLS puede producir prototipos con una variedad de materiales causándolos fusionar bajo la acción del láser. No necesitar estructuras de soporte también lo hace ampliamente popular entre las industrias produciendo piezas de mayor calidad.

Figura 6: Una hélice diseñada por prototipado rápido SLS

Comparación entre SLA y SLS

1. Material en Bruto Usado

SLS - El material en bruto usado varía desde Polvo de Nailon; Polvo de policarbonato de carbono a Cloruro de vinilo; Polvo pero de alto rendimiento.

SLA - El material en bruto usado es un polímero líquido con calidad no comparable a la de materiales termoplásticos.

2. Contracción del Material

SLS - La contracción del material varía del 2-4%.

SLA - La contracción del material es menor al 0.4%, así que se pueden producir piezas más detalladas.

3. Tamaño de Construcción

SLS - Se pueden producir prototipos de tamaño hasta 1500 x 750 x 500 mm.

SLA - Se pueden producir prototipos de tamaño hasta 145 x 145 x 175 mm.

4. Acabado Superficial

SLS - El acabado del material es rugoso y algo suelto.

SLA - El acabado del material es relativamente suave.

5. Resistencia

SLS - La resistencia de las piezas producidas es alta debido al material en bruto usado.

SLA - La resistencia del material producido es relativamente baja.

6. Operación de Mecanizado

SLS - Los prototipos producidos son fáciles de mecanizar como fresado, torno, taladrado, etc.

SLA - La resistencia del prototipo es baja así que el mecanizado es difícil y se debe tener gran cuidado.

7. Resistencia al Desgaste

SLS - La resistencia al desgaste es similar a la de materiales termoplásticos.

SLA - Pobre resistencia a condiciones ambientales. El uso de resinas epoxi puede mejorar considerablemente la resistencia.

Figura 7: Un modelo producido por prototipado rápido SLS

Beneficios: Impresión 3D usando SLA y SLS

Para producir en masa los productos dentro de un período de tiempo más corto, la impresión 3D es una herramienta esencial. Hay muchos beneficios que pueden disfrutarse empleando esta técnica.

1. Rentabilidad

La rentabilidad es uno de los principales beneficios de la impresión 3D. La resistencia y acabado en el prototipo producido de este proceso no quieren modificaciones lo que ahorra dinero. Además, los productos pueden producirse en masa lo que también ahorra mucho dinero.

2. Velocidad

Esta técnica permite a los industrialistas producir un mayor número de productos a mayor velocidad consumiendo mucho menos tiempo comparado con procesos industriales convencionales usados. El usuario solo requiere un modelo CAD y la impresora usa ese modelo y desarrolla el producto en mucho menos tiempo. Además, el prototipo diseñado es de alta calidad y resistencia haciendo esta técnica popular en industrias así como civiles en todo el mundo.

3. Reducción de Espacio de Almacenamiento

La impresora 3D consume mucho menos espacio comparado con maquinaria de producción en masa convencional empleada por las industrias hasta ahora. Además, las herramientas de esas máquinas son pesadas y costosas comparadas con una impresora 3D compacta que consume mucho menos espacio.

4. Mitigación de Riesgos

La impresión 3D también permite la verificación de un diseño antes de la producción de un prototipo costoso en el modelo CAD. Así que el modelo CAD se corrige en consecuencia. Además, la producción de moldes de prueba es mucho más barata que alterar un molde ya producido.

5. Retroalimentación

Con un prototipo, se puede probar el potencial de mercado del producto antes de producirlo realmente. La respuesta de los compradores antes de producir realmente el producto puede predecir la perspectiva futura del producto y puede ayudar a decidir el número de productos a producir en masa para ser suministrados al mercado.

6. Personalización

Con las operaciones de mecanizado estándar usadas para la producción en masa, todas las piezas salen de la máquina o el molde con el mismo diseño o defectos si los hay. Pero en el caso de la impresión 3D, siempre hay espacio para personalización, personalización del producto según lo requerido por el cliente o las demandas del mercado.

Observaciones Finales

Tanto el prototipado SLA como el prototipado SLS son considerados una de las grandes revoluciones en el mundo tecnológico. La producción de un prototipo funcional ya no es una tarea difícil porque puede producirse fácilmente por el empleo de estas dos técnicas según los requisitos de las características del prototipo. SLA es mejor para acabado superficial pero SLS es mejor para producción de productos de alta resistencia. Ambos son técnicas de prototipado rápido de primera línea y pueden usarse para la producción en masa de productos con menos errores en ellos.