Cómo SLA y SLS están cambiando la industria de creación rápida de prototipos

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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 se ha convertido en una realidad desde un mero concepto. La saturación de industrias hizo que el objetivo principal del fabricante no solo fabricara productos, sino también utilizar métodos innovadores para producir más productos en el menor tiempo posible para aumentar la producción. Entonces, los fabricantes en estos días están utilizando diferentes técnicas de creación rápida de prototipos. Estos métodos innovadores no solo ahorran tiempo sino que también son rentables. Una de esas técnicas de creación rápida de prototipos que se emplea en estos días es el uso de la impresión 3D (prototipos SLA y prototipos SLS ). La impresión 3D, además de ahorrar tiempo y dinero, 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 data de 1981, cuando el Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya utilizó polímeros termoendurecibles fotoendurecibles para fabricar los modelos tridimensionales en los que se usaba un patrón de máscara para controlar el área de exposición a los rayos UV. Pero en ese momento su uso era menor debido a la restricción de materiales y software de modelado 3D. Ya en el año 2000, China había importado equipos comerciales de creación rápida de prototipos, entre las principales aplicaciones se encontraba la impresión 3D industrial. Se convirtió en una palabra popular en el mundo industrial en 2013 cuando dos empleados de la NASA, Samantha Snabes y Matthew Fiedler, presentaron el primer prototipo de una impresora 3D asequible, Gigabot.

Impresión 3D:una tendencia líder en creación rápida de prototipos

Desde la reducción de costos hasta el aumento de la eficiencia con la innovación, muchas personas están entusiasmadas con el impacto que tendrá la impresión 3D en el futuro de la fabricación. Sin embargo, la verdad es que ya ha tenido un impacto significativo en la industria y en los clientes nacionales.

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

La disponibilidad del software de modelado en la actualidad también está ayudando al desarrollo de esta tecnología. Generalmente, el modelo se guarda en formato STL, que es un formato de archivo CAD para la creación rápida de prototipos que almacena datos basados ​​en triangulaciones de modelos CAD. Pero este formato solía guardar el archivo en una gran cantidad de estructuras de celosía lo que produce errores. Pero el software más nuevo almacena el archivo en formato de archivo de fabricación aditiva (AMF) que produce una menor cantidad de errores. Además, estos software tienen una interfaz fácil de usar que facilita a los usuarios domésticos e industriales modelar un modelo 3D del producto.

Un estudio reciente mostró que se enviarán 6,7 millones de impresoras 3D en todo el mundo para 2020, lo que representa 14 veces más que en 2016. A medida que las nuevas tecnologías mejoren los usos de las impresoras 3D, la tecnología seguirá llevando a la industria manufacturera a mayores alturas de gloria

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

Tecnología de impresión 3D

Cuando se trata de tecnología de impresión 3D, hay dos tecnologías más utilizadas:creación rápida de prototipos SLA y creación rápida de prototipos SLS.

1. Creación rápida de prototipos SLA

La creación rápida de prototipos SLA, también conocida como estereolitografía, es un tipo de tecnología de impresión 3D que se utiliza para crear diferentes prototipos, modelos y patrones capa por capa utilizando la técnica de fotopolimerización. La fotopolimerización es un proceso de unión de moléculas para formar polímeros bajo la acción de la luz. Básicamente, la resina (material utilizado en la creación del prototipo) se solidifica utilizando la luz y los rayos ultravioleta. De esta manera, el prototipo deseado se crea capa por capa utilizando prototipos rápidos SLA.

Figura 2:Una figura que muestra los procesos de creación rápida de prototipos SLA

Las radiaciones UV se utilizan para construir una forma preprogramada en la tina de fotopolímero. Como los fotopolímeros son sensibles a las radiaciones UV, la resina se solidifica y forma una sola capa del prototipo deseado. De esta forma, se solidifican capas de resinas hasta formar el prototipo deseado.

Los productos prototipo SLA tienen la resolución y el acabado superficial más altos de todas las técnicas de creación rápida de prototipos en 3D, pero su versatilidad radica en la resina utilizada. Con el desarrollo de la tecnología, los ingenieros de materiales han creado diferentes resinas utilizadas en la creación de prototipos SLA con propiedades que coinciden con las de los materiales termoplásticos de ingeniería estándar.

Usos

El prototipado rápido SLA es ampliamente utilizado en diferentes industrias para el desarrollo de productos desde sus inicios.

· Modelado médico

Los productos prototipados rápidos SLA se están utilizando en medicina desde que se introdujo la tecnología. Se utiliza para crear modelos anatómicos en 3D de diferentes regiones del cuerpo de un paciente sobre la base de datos obtenidos de escaneos de computadora. Estos modelos se utilizan luego para ayudar en el diagnóstico y el tratamiento. Los cirujanos usan estos modelos como ayuda en la cirugía, mientras que los protésicos los usan para fabricar implantes de ajuste personalizado.

Figura 3:Un modelo producido por prototipos rápidos SLA

· Prototipos

La creación rápida de prototipos SLA también se utiliza para crear prototipos de materiales de forma uniforme/irregular a un costo relativamente menor. Los prototipos creados por el método de creación rápida de prototipos SLA se pueden mecanizar y se pueden formar patrones de varias operaciones de fundición de metales.

2. Prototipos rápidos SLS

La sinterización selectiva por láser, comúnmente llamada técnica de creación rápida de prototipos SLS, utiliza el láser como un solidificador para el material en polvo. En su mayoría, el material en polvo utilizado 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 y hace que se solidifique para crear la estructura requerida. La creación rápida de prototipos SLS es diferente de la fusión selectiva por láser como en SLM. El material se funde en lugar de sinterizarse como en la creación rápida de prototipos SLS.

Figura 4:Una figura que muestra los procesos de creación rápida de prototipos SLS

La creación rápida de prototipos SLS, al igual que la creación rápida de prototipos SLA, utiliza diseños asistidos por computadora para desarrollar el prototipo requerido con la ayuda de polvo sinterizado. Utiliza láser de alta potencia, principalmente láser de dióxido de carbono, que es una fuente de fusión de pequeñas partículas 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 escanear la sección transversal, se baja el lecho de polvo y se aplica una nueva capa de material en la parte superior hasta que se forma el producto deseado.

El material de nailon utilizado en la creación rápida de prototipos SLS lo hace útil para crear prototipos de alta resistencia mecánica, así como prototipos resistentes al impacto, la luz y el agua. La producción de bajo costo y la alta productividad hacen que esta técnica sea bastante popular entre las industrias para la creación rápida de prototipos.

Usos

El prototipado rápido SLS es ampliamente utilizado en diferentes industrias para el desarrollo de productos desde sus inicios

· Industria aeroespacial

La creación rápida de prototipos SLS es bastante popular entre las industrias donde se requieren piezas de alta calidad en cantidades menores. Una de tales industrias es la industria aeroespacial donde se requieren prototipos para aviones. Dado que las aeronaves y otros vehículos aeroespaciales se fabrican en menor número y permanecen en servicio durante décadas, la creación rápida de prototipos SLS se utiliza para producir piezas de alta calidad para la industria aeronáutica.

Figura 5:Un panel de compartimiento producido por Airbus mediante el uso de prototipos rápidos SLS

· Prototipado de Geometrías Complejas

La creación rápida de prototipos SLS se usa ampliamente en las industrias para producir geometrías con formas complejas utilizando su modelo CAD. Esto se debe a que la creación rápida de prototipos SLS puede producir prototipos con una variedad de materiales que hacen que se fusionen bajo la acción del láser. La ausencia de necesidad de estructuras de apoyo también lo hace muy popular entre las industrias que producen piezas de mayor calidad.

Figura 6:Una hélice diseñada por prototipos rápidos SLS

Comparación entre SLA y SLS

1. Materia prima utilizada

SLS:la materia prima utilizada varía de polvo de nailon; Polvo de carbón policarbonato a Cloruro de vinilo; Polvo pero con alto rendimiento.

SLA -La materia prima utilizada es un polímero líquido de calidad no comparable a la de los materiales termoplásticos.

2. Contracción de materiales

SLS:la contracción del material oscila entre el 2 y el 4 %.

SLA:la contracción del material es inferior al 0,4 %, por lo 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. Fuerza

SLS -La resistencia de las piezas producidas es alta debido a la materia prima utilizada.

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, por lo que el mecanizado es difícil y se debe tener mucho cuidado.

7. Resistencia al desgaste

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

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

Figura 7:Un modelo producido por prototipos rápidos SLS

Beneficios:Impresión 3D usando SLA y SLS

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

1. Rentabilidad

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

2. Velocidad

Esta técnica permite a los industriales producir una mayor cantidad de productos a mayor velocidad consumiendo mucho menos tiempo en comparación con los procesos industriales convencionales utilizados. 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, lo que hace que esta técnica sea popular tanto en la industria como en la población civil de todo el mundo.

3. Reducción del espacio de almacenamiento

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

4. Mitigación de Riesgo

La impresión 3D también permite la verificación de un diseño antes de la producción de un costoso prototipo en el modelo CAD. Entonces, el modelo CAD se ha corregido en consecuencia. Además, la producción de moldes de prueba es mucho más económica que modificar un molde ya producido.

5. Comentarios

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 la cantidad de productos que se producirán en masa para suministrarlos al mercado.

6. Personalización

Con las operaciones de mecanizado estándar que se utilizan para la producción en masa, todas las piezas salen de la máquina o del molde con el mismo diseño o defectos, si los hubiere. Pero en el caso de la impresión 3D, siempre hay un camino de personalización, personalización del producto según lo requiera el cliente o las demandas del mercado.

Observaciones finales

Tanto el prototipado SLA como el prototipado SLS están considerados como una de las grandes revoluciones del mundo tecnológico. La producción de un prototipo funcional ya no es una tarea difícil porque se puede producir fácilmente mediante el empleo de estas dos técnicas según el requisito de las características del prototipo. SLA es mejor para el acabado de superficies, pero SLS es mejor para la producción de productos de alta resistencia. Ambas son técnicas de creación rápida de prototipos de primera línea y se pueden utilizar para la producción en masa de productos con menos errores.