¿Qué es la creación rápida de prototipos? - Tipos y funcionamiento

¿Qué es la creación rápida de prototipos?

La creación rápida de prototipos es la fabricación rápida de una pieza, un modelo o un ensamblaje físicos mediante el diseño asistido por computadora (CAD) en 3D. La creación de la pieza, el modelo o el ensamblaje generalmente se completa mediante la fabricación aditiva, más comúnmente conocida como impresión 3D.

La creación rápida de prototipos es el proceso de crear algo que se puede usar para evaluar rápidamente un producto. Dentro de la ingeniería, un prototipo es una versión temprana de un producto. La creación rápida de prototipos permite a las empresas probar y analizar la tecnología.

Cuando el diseño coincide estrechamente con el producto final propuesto, se dice que es un prototipo de alta fidelidad, a diferencia de un prototipo de baja fidelidad en el que existe una clara diferencia entre el prototipo y el producto final.

En otras palabras, la creación rápida de prototipos es un método de prueba. Puede analizar el futuro de un producto y su éxito con los clientes. Como resultado, el análisis le dirá si funcionará bien. Las empresas utilizan este proceso en cada fase del desarrollo de productos.

La eficiencia hace que el proceso sea más barato y rápido. Esto permite más espacio para la flexibilidad y el error al crear un producto. A la larga, esto es más beneficioso que otros métodos.

MÁS: ¿Qué es la impresión 3D?

Hay tres pasos principales en la creación rápida de prototipos. Lo primero es crear el prototipo. Para ello, desarrollan una solución para que la empresa la pruebe.

El siguiente paso es revisar. Muchas empresas hacen esto compartiendo el prototipo con sus usuarios y partes interesadas. Esto les permite obtener comentarios para que puedan arreglar el producto y mejorarlo para sus clientes.

El último paso es el refinado. Según los comentarios que recibe la empresa, pueden reparar o cambiar el producto. Esto también les ayudará a mejorar los diseños futuros.

¿Cómo funciona Rapid Prototyping?

La creación rápida de prototipos, también conocida como impresión 3D, es una tecnología de fabricación aditiva. El proceso comienza con la toma de un diseño virtual de un software de modelado o diseño asistido por computadora (CAD). La máquina de impresión 3D lee los datos del dibujo CAD y coloca capas sucesivas de material líquido, en polvo o en láminas que construyen 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.

Rapid Prototyping utiliza una interfaz de datos estándar, implementada como formato de archivo STL, para traducir del software CAD a la máquina de creación de prototipos 3D. El archivo STL se aproxima a la forma de una pieza o ensamblaje utilizando facetas triangulares.

Por lo general, los sistemas de creación rápida de prototipos pueden producir modelos 3D en unas pocas horas. Sin embargo, esto puede variar ampliamente, según el tipo de máquina que se utilice y el tamaño y la cantidad de modelos que se produzcan.

Si bien la fabricación aditiva es el proceso de creación rápida de prototipos más común, se pueden usar otros métodos más convencionales para crear prototipos.

MÁS: ¿Qué es la fabricación aditiva?

Estos procesos incluyen:

• Sustractivo – Donde tallar a través de un bloque de material para crear la forma deseada mediante fresado, esmerilado o torneado.
• Compresión – Ser presionado en la forma deseada por un material semisólido o líquido antes de la solidificación, por ejemplo, mediante fundición, sinterización por compresión o moldeado.

Diferentes tipos de prototipos rápidos

Tipos de técnicas de creación rápida de prototipos:

• Estereolitografía (SLA)
• Sinterización selectiva por láser (SLS)
• Sinterizado directo de metal por láser (DMLS)
• Modelado de deposición fundida (FDM)
• Lavado de aglutinante
• Poly jetting

Hay docenas de formas en que se pueden hacer prototipos. A medida que los procesos de creación de prototipos continúan evolucionando, los diseñadores de productos intentan constantemente determinar qué método o tecnología es mejor para su aplicación única.

1. Estereolitografía (SLA) o fotopolimerización en tina

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

SLA es una impresión 3D industrial, o fabricación aditiva, un proceso que construye piezas en un grupo de resina de fotopolímero curable con UV usando un láser controlado por computadora. El láser se usa para trazar y curar una sección transversal del diseño de la pieza en la superficie de la resina líquida.

Luego, la capa solidificada se baja justo debajo de la superficie de la resina líquida y se repite el proceso. Cada capa recién curada se adhiere a la capa debajo de ella. Este proceso continúa hasta que se completa la pieza.

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

Desventajas: Es posible que las piezas prototipo no sean tan resistentes como las fabricadas con resinas de ingeniería, por lo que las piezas fabricadas con SLA tienen un uso limitado para las pruebas funcionales. Además, mientras que las piezas se someten a un ciclo UV para solidificar la superficie exterior de la pieza, el SLA incorporado debe usarse con una exposición mínima a los rayos UV y la humedad para que no se degraden.

2. Sinterización selectiva por láser (SLS)

Utilizado para la creación de prototipos de metal y plástico, SLS utiliza un lecho de polvo para crear un prototipo capa por capa con un láser para calentar y sinterizar el material en polvo. Sin embargo, la resistencia de las piezas no es tan buena como la SLA, mientras que la superficie del producto terminado suele ser áspera y es posible que se requiera un trabajo secundario para completarla.

Durante el proceso SLS, un láser de CO2 controlado por computadora extrae un semillero de polvo a base de nailon de abajo hacia arriba, donde sinteriza (fusiona) ligeramente el polvo en un sólido. Después de cada capa, un rodillo coloca una nueva capa de polvo sobre la cama y el proceso se repite.

SLS utiliza nailon rígido o polvos elastoméricos de TPU similares a los termoplásticos de ingeniería reales, por lo que las piezas exhiben una mayor dureza y son precisas, pero tienen una superficie áspera y carecen de detalles finos. SLS ofrece un gran volumen de construcción, puede producir piezas con geometrías muy complejas y crear prototipos duraderos.

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

Desventajas: Las piezas tienen una textura granulosa o arenosa y el proceso tiene una elección de resina limitada.

3. Sinterización directa de metal por láser (DMLS)

DMLS es una tecnología de fabricación aditiva que produce prototipos metálicos y piezas funcionales de uso final. DMLS utiliza un sistema láser que dibuja sobre una superficie de polvo de metal atomizado. Donde dibuja, suelda el polvo en un sólido.

Después de cada capa, una cuchilla agrega una nueva capa de polvo y repite el proceso. DMLS puede usar la mayoría de las aleaciones, lo que permite que los prototipos sean hardware funcional y de resistencia completa hechos del mismo material que los componentes de producción.

También tiene el potencial, si se diseña teniendo en cuenta la capacidad de fabricación, de hacer la transición al moldeo por inyección de metal cuando se aumente la producción si es necesario

Ventajas: DMLS produce prototipos fuertes (típicamente, 97 por ciento densos) de una variedad de metales que pueden usarse para pruebas funcionales. Dado que los componentes se construyen capa por capa, es posible diseñar características internas y pasajes que no se pueden moldear ni mecanizar de otro modo. Las piezas de propiedades mecánicas son iguales a las piezas formadas convencionalmente.

Desventajas: Si produce más de unas pocas piezas DMLS, los costos pueden aumentar. Debido al origen del metal en polvo del proceso de metal directo, el acabado de la superficie de estas piezas es ligeramente rugoso. El proceso en sí es relativamente lento y también suele requerir un procesamiento posterior costoso.

4. Modelado por deposición fundida (FDM) o chorro de material

Este proceso económico y fácil de usar se puede encontrar en la mayoría de las impresoras 3D de escritorio no industriales. Se utiliza una bobina de filamento termoplástico que se funde en una carcasa de boquilla de presión antes de que el plástico líquido resultante se deposite capa por capa de acuerdo con un programa de deposición por computadora.

Si bien los primeros resultados generalmente tenían una resolución deficiente y eran deficientes, este proceso mejora rápidamente y es rápido y económico, lo que lo hace ideal para el desarrollo de productos.

FDM utiliza un método de extrusión que funde y vuelve a solidificar resina termoplástica (ABS, policarbonato o mezcla de ABS/policarbonato) en capas para formar un prototipo terminado. Debido a que utiliza resinas termoplásticas reales, es más fuerte que el chorro de aglutinante y puede tener un uso limitado para las pruebas funcionales.

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

6. Moldeo por inyección           

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

Las piezas moldeadas son fuertes y tienen excelentes acabados. También es el proceso de producción estándar de la industria para piezas de plástico, por lo que existen ventajas inherentes a la creación de prototipos en el mismo proceso si la situación lo permite.

Se puede usar casi cualquier plástico de grado de ingeniería o caucho de silicona líquida (LSR), por lo que el diseñador no está limitado por las limitaciones de material del proceso de creación de prototipos.

Ventajas: Las piezas moldeadas están hechas de una variedad de materiales de grado de ingeniería, tienen un excelente acabado superficial y son un excelente predictor de la capacidad de fabricación durante la fase de producción.

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

7. Lavado de aglutinante

Esta técnica permite imprimir una o varias piezas a la vez, aunque las piezas realizadas no son tan resistentes como las realizadas con SLS. El chorro de aglutinante utiliza un lecho de polvo sobre el cual las boquillas rocían gotas microfinas de líquido para unir las partículas de polvo y formar una capa de la pieza.

Luego, cada capa se puede compactar con un rodillo antes de aplicar la siguiente capa de polvo y el proceso comienza nuevamente. Cuando la pieza está completa, se puede curar en un horno para quemar el aglutinante y fusionar el polvo en una pieza integral.

8. Polijet

Polyjet utiliza un cabezal de impresión para rociar capas de resina de fotopolímero que se curan, una tras otra, con luz ultravioleta. Las capas son muy finas lo que permite una resolución de calidad. El material está soportado por una matriz de gel que se elimina después de completar la pieza. Las piezas elastoméricas son posibles con Polyjet.

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

Desventajas: Las piezas de Polyjet tienen una resistencia limitada (comparable a SLA) y no son adecuadas para pruebas funcionales. Si bien PolyJet puede fabricar piezas con geometrías complejas, no da una idea de la eventual capacidad de fabricación del diseño. Además, los colores pueden volverse amarillos cuando se exponen a la luz con el tiempo.

Comparación de procesos de creación de prototipos