Prototipado Rápido Explicado: Tipos, Procesos y Beneficios

¿Qué es el Prototipado Rápido?

El prototipado rápido es la fabricación veloz de una pieza física, modelo o ensamblaje mediante diseño asistido por computadora 3D (CAD). La creación de la pieza, modelo o ensamblaje se completa generalmente mediante manufactura aditiva, más conocida como impresión 3D.

El prototipado rápido es el proceso de crear algo que pueda usarse para evaluar rápidamente un producto. En ingeniería, un prototipo es una versión temprana de un producto. El prototipado rápido permite a las empresas probar y analizar la tecnología.

Cuando el diseño se asemeja mucho al producto final propuesto, se denomina prototipo de alta fidelidad, a diferencia de un prototipo de baja fidelidad donde existe una diferencia clara entre el prototipo y el producto final.

En otras palabras, el prototipado rápido es un método de prueba. Permite analizar el futuro de un producto y su éxito con los clientes. Como resultado, el análisis indicará si funcionará bien. Las empresas utilizan este proceso en cada fase del desarrollo del producto.

La eficiencia hace que el proceso sea más barato y rápido. Esto permite mayor flexibilidad y margen de error al crear un producto. A largo plazo, esto resulta más beneficioso que otros métodos.

MÁS: ¿Qué es la Impresión 3D?

Hay tres pasos principales en el prototipado rápido. El primero es crear el prototipo, desarrollando una solución para que la empresa la pruebe.

El siguiente paso es la revisión. Muchas empresas lo hacen compartiendo el prototipo con sus usuarios y partes interesadas. Esto les permite obtener retroalimentación para corregir y mejorar el producto para sus clientes.

El último paso es el refinamiento. Basándose en la retroalimentación recibida, la empresa puede reparar o modificar el producto, lo que también ayuda a mejorar diseños futuros.

¿Cómo Funciona el Prototipado Rápido?

El prototipado rápido, también conocido como impresión 3D, es una tecnología de manufactura aditiva. El proceso comienza tomando un diseño virtual de software de modelado o diseño asistido por computadora (CAD). La máquina de impresión 3D lee los datos del dibujo CAD y deposita capas sucesivas de líquido, polvo o material en lámina, construyendo el modelo físico a partir de una serie de secciones transversales.

Estas capas, que corresponden a la sección transversal virtual del modelo CAD, se unen automáticamente para crear la forma final.

El prototipado rápido utiliza una interfaz de datos estándar, implementada como formato de archivo STL, para traducir del software CAD a la máquina de prototipado 3D. El archivo STL aproxima la forma de una pieza o ensamblaje usando facetas triangulares.

Típicamente, los sistemas de prototipado rápido pueden producir modelos 3D en pocas horas. Sin embargo, esto puede variar ampliamente, dependiendo del tipo de máquina utilizada y del tamaño y número de modelos producidos.

Aunque la manufactura aditiva es el proceso de prototipado rápido más común, otros métodos convencionales pueden usarse para crear prototipos.

MÁS: ¿Qué es la Manufactura Aditiva?

Estos procesos incluyen:

• Sustractivo – Tallado de un bloque de material para crear la forma deseada mediante fresado, rectificado o torneado.
• Compresivo – Prensado en la forma deseada mediante material semisólido o líquido antes de la solidificación, por ejemplo, fundición, sinterizado compresivo o moldeo.

Diferentes Tipos de Prototipado Rápido

Técnicas de prototipado rápido:

• Estereolitografía (SLA)
• Sinterizado selectivo por láser (SLS)
• Sinterizado directo de metal por láser (DMLS)
• Modelado por deposición fundida (FDM)
• Inyección de aglutinante (Binder Jetting)
• PolyJet

Existen docenas de formas de fabricar prototipos. A medida que los procesos de prototipado continúan evolucionando, los diseñadores de productos buscan constantemente determinar qué método o tecnología es mejor para su aplicación única.

1. Estereolitografía (SLA) o Fotopolimerización en Cuba

Esta técnica rápida e económica fue el primer método exitoso de impresión 3D comercial. Se utiliza un baño de líquido fotosensible que se solidifica capa por capa usando luz ultravioleta (UV) controlada por computadora.

La SLA es un proceso de impresión 3D industrial o manufactura aditiva que construye piezas en una cubeta de resina fotopolímero curable con UV usando un láser controlado por computadora. El láser traza y cura una sección transversal del diseño de la pieza en la superficie de la resina líquida.

La capa solidificada se baja justo debajo de la superficie de la resina líquida y el proceso se repite. Cada capa recién curada se adhiere a la capa inferior. Esto continúa hasta completar la pieza.

Ventajas: Para modelos conceptuales, prototipos cosméticos y diseños complejos, la SLA produce piezas con geometrías intrincadas y excelentes acabados superficiales comparados con otros procesos aditivos. El costo es competitivo y la tecnología está disponible en varias fuentes.

Desventajas: Las piezas de prototipo pueden no ser tan resistentes como las hechas de resinas de grado ingeniería, por lo que las piezas SLA tienen uso limitado para pruebas funcionales. Además, aunque las piezas pasan por un ciclo UV para solidificar la superficie externa, las construidas en SLA deben usarse con exposición mínima a UV y humedad para evitar degradación.

2. Sinterizado Selectivo por Láser (SLS)

Usado tanto para prototipado de metal como plástico, el SLS usa una cama de polvo para crear un prototipo capa por capa con un láser que calienta y sinteriza el material en polvo. Sin embargo, la resistencia de las piezas no es tan buena como en SLA, mientras que la superficie del producto terminado suele ser rugosa y puede requerir trabajo secundario.

Durante el proceso SLS, un láser CO2 controlado por computadora dibuja sobre una cama caliente de polvo a base de nailon desde abajo hacia arriba, donde sinteriza ligeramente (fusiona) el polvo en un sólido. Tras cada capa, un rodillo deposita una capa fresca de polvo sobre la cama y el proceso se repite.

El SLS usa polvos de nailon rígido o TPU elastomérico similares a termoplásticos de ingeniería reales, por lo que las piezas exhiben mayor tenacidad y son precisas, pero tienen superficie rugosa y carecen de detalles finos. El SLS ofrece gran volumen de construcción, puede producir piezas con geometrías altamente complejas y crear prototipos duraderos.

Ventajas: Las piezas SLS tienden a ser más precisas y duraderas que las SLA. El proceso puede fabricar piezas duraderas con geometrías complejas y es adecuado para algunas pruebas funcionales.

Desventajas: Las piezas tienen textura arenosa o granulada y el proceso tiene opción limitada de resinas.

3. Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS)

El DMLS es una tecnología de manufactura aditiva que produce prototipos metálicos y piezas finales funcionales. El DMLS usa un sistema láser que dibuja sobre una superficie de polvo metálico atomizado. Donde dibuja, suelda el polvo en un sólido.

Tras cada capa, una cuchilla añade una capa fresca de polvo y repite el proceso. El DMLS puede usar la mayoría de aleaciones, permitiendo que los prototipos sean hardware funcional a plena resistencia hecho del mismo material que los componentes de producción.

También tiene el potencial, si se diseña pensando en la fabricabilidad, de transición al moldeo por inyección de metal cuando se necesite mayor producción.

Ventajas: El DMLS produce prototipos fuertes (típicamente 97% densos) de una variedad de metales utilizables para pruebas funcionales. Como los componentes se construyen capa por capa, es posible diseñar características y pasajes internos que no podrían fundirse ni mecanizarse de otra forma. Las propiedades mecánicas de las piezas son iguales a las formadas convencionalmente.

Desventajas: Si se producen más de unas pocas piezas DMLS, los costos aumentan. Debido al origen de metal en polvo del proceso directo de metal, el acabado superficial es ligeramente rugoso. El proceso es relativamente lento y generalmente requiere post-procesado costoso.

4. Modelado por Deposición Fundida (FDM) o Inyección de Material

Este proceso económico y fácil de usar se encuentra en la mayoría de impresoras 3D de escritorio no industriales. Se usa un carrete de filamento termoplástico que se funde en una boquilla a presión antes de depositar el plástico líquido resultante capa por capa según un programa de deposición computarizado.

Aunque los resultados iniciales generalmente tenían mala resolución y eran pobres, este proceso mejora rápidamente y es veloz y barato, lo que lo hace ideal para desarrollo de productos.

El FDM usa un método de extrusión que funde y re-solidifica resina termoplástica (ABS, policarbonato o mezcla ABS/policarbonato) en capas para formar un prototipo terminado. Al usar resinas termoplásticas reales, es más fuerte que la inyección de aglutinante y puede tener uso limitado para pruebas funcionales.

Ventajas: Las piezas FDM tienen precio moderado, son relativamente fuertes y pueden ser buenas para algunas pruebas funcionales. El proceso puede fabricar piezas con geometrías complejas.

Desventajas: Las piezas tienen mal acabado superficial con efecto ondulado pronunciado. También es un proceso aditivo más lento que SLA o SLS y tiene idoneidad limitada para pruebas funcionales.

6. Moldeo por Inyección

El moldeo por inyección rápido funciona inyectando resinas termoplásticas en un molde, igual que en el moldeo por inyección de producción. Lo que hace "rápido" al proceso es la tecnología usada para producir el molde, a menudo de aluminio en lugar del acero tradicional usado en moldes de producción.

Las piezas moldeadas son fuertes y tienen excelentes acabados. También es el proceso de producción estándar para piezas plásticas, por lo que hay ventajas inherentes en prototipar con el mismo proceso si la situación lo permite.

Casi cualquier plástico de grado ingeniería o caucho de silicona líquido (LSR) puede usarse, por lo que el diseñador no está limitado por las restricciones de materiales del proceso de prototipado.

Ventajas: Las piezas moldeadas se fabrican con una gama de materiales de grado ingeniería, tienen excelente acabado superficial y son excelentes predictores de fabricabilidad durante la fase de producción.

Desventajas: Existe un costo inicial de herramientas asociado al moldeo por inyección rápido que no ocurre con procesos aditivos ni mecanizado CNC. Por tanto, en la mayoría de casos, tiene sentido hacer una o dos rondas de prototipos rápidos (sustractivos o aditivos) para verificar ajuste y función antes de pasar al moldeo por inyección.

7. Inyección de Aglutinante (Binder Jetting)

Esta técnica permite imprimir una o más piezas a la vez, aunque las piezas no son tan fuertes como las hechas con SLS. La inyección de aglutinante usa una cama de polvo sobre la que boquillas rocían gotas microfinas de líquido para unir las partículas de polvo y formar una capa de la pieza.

Cada capa puede compactarse con un rodillo antes de aplicar la siguiente capa de polvo y repetir el proceso. Cuando la pieza está completa, puede curarse en horno para quemar el aglutinante y fusionar el polvo en una pieza integral.

8. PolyJet

PolyJet usa un cabezal de impresión para rociar capas de resina fotopolímero que se curan, una tras otra, usando luz ultravioleta. Las capas son muy finas permitiendo resolución de calidad. El material es soportado por una matriz de gel que se remueve tras completar la pieza. Piezas elastoméricas son posibles con PolyJet.

Ventajas: Este proceso tiene precio moderado, puede prototipar piezas sobremoldeadas con materiales flexibles y rígidos, producir piezas en múltiples opciones de color y duplicar fácilmente geometrías complejas.

Desventajas: Las piezas PolyJet tienen resistencia limitada (comparable a SLA) y no son aptas para pruebas funcionales. Aunque PolyJet puede fabricar piezas con geometrías complejas, no da información sobre la fabricabilidad final del diseño. Además, los colores pueden amarillear al exponerse a la luz con el tiempo.

Comparación de Procesos de Prototipado

PROCESO	DESCRIPCIÓN	RESISTENCIA	ACABADO	MATERIALES EJEMPLO
Estereolitografía	Fotopolímero curado por láser	2,500-10,000 psi (17.2-68.9 MPa)	Capas aditivas 0.002-0.006 pulg (0.051-0.152 mm) típico	Fotopolímeros tipo termoplástico
Sinterizado Selectivo por Láser	Polvo sinterizado por láser	5,300-11,300 psi (36.5-77.9 MPa)	Capas aditivas 0.004 pulg (0.102 mm) típico	Nailon, TPU
Sinterizado Directo Metal por Láser	Polvo metálico sinterizado por láser	37,700-190,000 psi	Capas aditivas 0.0008-0.0012 pulg (0.020-0.030 mm) típico	Acero inoxidable, titanio, cromo, aluminio, Inconel
Modelado por Deposición Fundida	Extrusiones fundidas	5,200-9,800 psi (35.9-67.6 MPa)	Capas aditivas 0.005-0.013 pulg (0.127-0.330 mm) típico	ABS, PC, PC/ABS, PPSU
Multi Jet Fusion	Array de inyección fusiona selectivamente cama de polvo de nailon	6,960 psi (48 MPa)	Capas aditivas 0.0035-0.008 pulg (0.089-0.203 mm) típico	Nailon 12 Negro
PolyJet	Fotopolímero inyectado curado por UV	7,200-8,750 psi (49.6-60.3 MPa)	Capas aditivas 0.0006-0.0012 pulg (0.015-0.030 mm) típico	Fotopolímeros base acrílico, fotopolímeros elastoméricos
Mecanizado Controlado Numéricamente	Mecanizado con fresadoras y tornos CNC	3,000-20,000 psi (20.7-137.9 MPa)	Mecanizado sustractivo (liso)	Mayoría de termoplásticos y metales commodity y grado ingeniería
Moldeo por Inyección	Moldeado por inyección con herramientas de aluminio	3,100-20,000 psi (21.4-137.9 MPa)	Moldeado liso (o con textura seleccionada)	Mayoría de termoplásticos commodity y grado ingeniería, metal, caucho silicona líquido

¿Por Qué es Importante el Prototipado Rápido?

En el mercado de consumo moderno y acelerado, las empresas necesitan desarrollar y lanzar nuevos productos más rápido para mantenerse competitivas. Dado que el desarrollo de productos más rápido y la innovación tecnológica son claves del éxito empresarial, el prototipado rápido se vuelve el elemento más importante en el desarrollo de nuevos productos. Se logran los siguientes objetivos:

• Desarrollo de nuevos productos más rápido – El prototipado juega un papel vital en la creación de productos exitosos porque acelera el proceso de desarrollo
• Validación temprana de diseño/concepto de forma, ajuste y función
• Verificación final del producto contra requisitos técnicos y objetivos de negocio
• Permite pruebas de funcionalidad para probar objetivos del concepto y finalizar especificaciones
• El prototipo da al usuario final, cliente, participantes experiencia práctica para obtener retroalimentación

Aplicaciones

Los diseñadores de productos usan este proceso para la fabricación rápida de piezas de prototipo representativas. Esto ayuda en la visualización, diseño y desarrollo del proceso de fabricación antes de la producción en masa.

Originalmente, el prototipado rápido se usaba para crear piezas y modelos a escala para la industria automotriz, aunque desde entonces ha sido adoptado por una amplia variedad de aplicaciones en diversas industrias como médica y aeroespacial.

El Herramental Rápido (Rapid Tooling) es otra aplicación donde una pieza de un tapón moldeado por inyección o una cuña de sensor ultrasónico se fabrica y usa como herramienta en otro proceso.

Ventajas del Prototipado Rápido

• Tiempo reducido de diseño y desarrollo
• Costo total de desarrollo de producto reducido
• Eliminación o reducción de riesgos
• Permite pruebas de funcionalidad
• Participación del usuario mejorada e incrementada
• Capacidad para evaluar factores humanos y ergonomía

Desventajas del Prototipado Rápido

• Falta de precisión
• Costos iniciales adicionales
• Algunos procesos siguen siendo costosos y no económicos
• Propiedades de materiales como acabado superficial y resistencia no pueden igualarse
• Requiere mano de obra calificada
• Gama de materiales utilizables limitada
• Pasar por alto características clave porque no pueden prototiparse
• Confusión del usuario final, clientes confundiéndolo con proyecto terminado / malentendido del desarrollador sobre objetivos del usuario

Preguntas Frecuentes

¿Qué es el prototipado rápido?

El prototipado rápido es la fabricación veloz de una pieza física, modelo o ensamblaje usando diseño asistido por computadora 3D (CAD). La creación se completa generalmente mediante manufactura aditiva, conocida como impresión 3D.

¿Cómo funciona el prototipado rápido?

El prototipado rápido, también conocido como impresión 3D, es una tecnología de manufactura aditiva. La máquina lee datos del dibujo CAD y deposita capas sucesivas de líquido, polvo o lámina construyendo el modelo físico desde secciones transversales.

¿Cuáles son los diferentes tipos de prototipado rápido?

Diferentes Tipos de Prototipado Rápido:

1. Estereolitografía (SLA) o Fotopolimerización en Cuba
2. Sinterizado Selectivo por Láser (SLS)
3. Modelado por Deposición Fundida (FDM) o Inyección de Material
4. Fusión Selectiva por Láser (SLM) o Fusión de Cama de Polvo
5. Fabricación de Objetos Laminados (LOM) o Laminación de Láminas

¿Cuál es un ejemplo de prototipado rápido?

Un ejemplo común y frecuente es la impresión 3D. La posibilidad de producir un modelo 3D rápido con esta variante ahorra mucho tiempo y costos en producción.

¿Dónde se usa el prototipado rápido?

Puede usarse en cualquier etapa del ciclo de desarrollo de producto para cualquier componente o sub-componente. El prototipado puede repetirse numerosas veces usando datos de prueba para lograr la pieza deseada.

¿Cómo funciona el proceso de prototipado rápido?

Usa una interfaz de datos estándar, el formato STL, para traducir del software CAD a la máquina. El archivo STL aproxima la forma usando facetas triangulares. Típicamente produce modelos 3D en pocas horas.

¿Qué es el prototipado rápido y sus características?

Es una estrategia ágil usada en todo el desarrollo de producto. Se crean y prueban prototipos 3D para optimizar características como forma, tamaño y usabilidad general.

¿Cuál es la principal ventaja del prototipado rápido?

Proporciona a equipos de ingeniería, diseño y desarrollo ventajas como: explorar y realizar conceptos más rápidamente. Esta eficiencia en tiempo y costo permite ir más allá de la mera visualización, facilitando comprender propiedades y diseño.

¿Dónde se originó el prototipado rápido?

En el sentido moderno, sus orígenes están en la impresión 3D, desarrollada en los 1980s como forma innovadora de producir prototipos. Desde entonces, se expandió para cubrir diversas técnicas de manufactura, cada una enfocada en diferentes etapas del desarrollo.

¿Qué es la cadena de proceso de prototipado rápido?

La cadena comienza con diseño de componentes como modelos CAD 3D. Los modelos maestros se realizan como piezas de polímero por técnicas RP y se copian en moldes de caucho silicona para usarse directamente como herramientas en moldeo por inyección a baja presión.

¿Es el prototipado rápido lo mismo que impresión 3D?

El término prototipado rápido difiere de impresión 3D/manufactura aditiva. El prototipado rápido es la técnica de fabricar un modelo prototipo desde archivo CAD. Es decir, la impresión 3D/manufactura aditiva es el proceso, y el prototipado rápido es el resultado final.

¿Qué es el prototipado rápido en desarrollo de producto?

Es el grupo de técnicas para fabricar rápidamente un modelo a escala de pieza física o ensamblaje usando datos CAD 3D. Con impresión 3D, los diseñadores iteran rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos, llegando a producción más rápido.

¿Cuáles son las desventajas del prototipado?

Desventajas del Modelo de Prototipo:

• Este modelo es costoso
• Tiene mala documentación por requisitos del cliente que cambian continuamente
• Puede haber demasiada variación en requisitos
• Clientes a veces exigen el producto real pronto tras ver un prototipo temprano

¿Cuál es la diferencia entre prototipado y prototipado rápido?

Lo que tomaba semanas con prototipado tradicional ahora toma solo horas con RP. En general, el prototipado rápido es mejor para proyectos que requieren varias modificaciones de diseño o ajustes de componentes. También es más ideal para geometrías complejas y plazos ajustados.

¿Qué tipos de prototipado rápido existen?

Tipos de tecnología de prototipado rápido para diseñadores de ingeniería: Manufactura aditiva – Estereolitografía (SLA), Sinterizado Selectivo por Láser (SLS), Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS), Modelado por Deposición Fundida (FDM), MJF, Inyección de Aglutinante, PolyJet.

¿Cuáles son las aplicaciones del prototipado rápido?

Ampliamente usado para planificación quirúrgica, diagnóstico, entrenamiento, diseño y fabricación de implantes personalizados. El diseño y manufactura asistida por computadora 3D también se usan para diseño y desarrollo de nuevos productos médicos. Acortan el tiempo de mercado e impulsan la investigación.

¿Quién inventó el prototipado rápido?

En el sentido moderno, a menudo se considera inventado en los 1980s por Hideo Kodama y Charles Hull con el desarrollo de la impresión 3D.

¿Qué materiales se usan en prototipado rápido?

Se desarrollan constantemente nuevos materiales que mejor igualan especificaciones de producción final. ABS, acrílico, polifenilsulfona, policarbonato y nailon son algunos comúnmente usados, ofreciendo funcionalidad, durabilidad y resistencia sobresalientes.

¿Cuál es la diferencia entre manufactura aditiva y prototipado rápido?

Prototipado rápido significa producir un prototipo rápidamente. Manufactura aditiva se refiere a cualquier proceso que hace productos agregando material gradualmente.

¿Qué es el proceso de manufactura rápida?

El término manufactura rápida resume diferentes métodos y procesos para producción rápida y flexible de prototipos y piezas de serie. Se entiende que la producción implica uso de herramientas no convencionales leyendo directamente datos CAD disponibles.

¿Qué polímeros se usan en prototipado rápido?

El polidimetilsiloxano (PDMS) ha sido el principal en prototipado rápido académico en microfluídica, por su bajo costo, robustez y fabricación sencilla, ventajoso en etapas exploratorias de investigación.

¿Cuál es la diferencia entre prototipado y prototipado rápido? (duplicado)

Lo que tomaba semanas con prototipado tradicional ahora toma solo horas con RP. En general, el prototipado rápido es mejor para proyectos que requieren varias modificaciones de diseño o ajustes de componentes. También es más ideal para geometrías complejas y plazos ajustados.

¿Cuál es la diferencia entre prototipado rápido y herramental rápido?

"Prototipado rápido" se refiere a métodos de manufactura aditiva para producción rápida de componentes de muestra – de hecho, aquí es donde se originó la manufactura aditiva. El herramental rápido es otra tecnología que acelera la manufactura de productos.