Prototipado Rápido: Definición, Procesos, Tipos y Técnicas Clave

¿Qué es el Prototipado Rápido?

El prototipado rápido (RP) es el nombre más común para una serie de tecnologías relacionadas usadas para fabricar objetos físicos directamente a partir de datos CAD. Estos métodos son únicos en que añaden y unen materiales en capas para formar objetos.

Estos sistemas también se conocen como fabricación aditiva, impresión tridimensional, fabricación de forma libre sólida (SFF) y manufactura por capas. Las tecnologías aditivas actuales ofrecen ventajas en muchas aplicaciones comparadas con métodos sustractivos clásicos como fresado o torneado.

Capacidades del Prototipado Rápido

1. Reducir sustancialmente el tiempo de desarrollo de producto, mediante creación rápida de modelos 3D.
2. Mejorar la comunicación (visualización) dentro de equipos de diseño multidisciplinarios.
3. Abordar problemas de mayor flexibilidad y tamaños de lote pequeños, manteniéndose competitivo (fabricación rápida).

Proceso de Prototipado Rápido

El proceso básico

Aunque existen varias técnicas de prototipado rápido, todas emplean el mismo proceso básico de cinco pasos:

1. Crear un modelo CAD del diseño.
2. Convertir el modelo CAD a formato STL.
3. Cortar (slicing) el archivo STL en capas transversales finas.
4. Construir el modelo capa por capa.
5. Limpiar y acabar el modelo.

1. Crear un modelo CAD del diseño

Primero, el objeto a construir se modela usando software de Diseño Asistido por Computadora (CAD). Los modeladores sólidos (como Pro/ENGINEER) representan objetos 3D con más precisión que los modeladores de alambre (como AutoCAD), y por tanto producen mejores resultados. El diseñador puede usar un archivo CAD preexistente o crear uno expresamente para prototipado. Este proceso es idéntico para todas las técnicas de construcción RP.

2. Convertir el modelo CAD a formato STL

Los paquetes CAD usan diferentes algoritmos para representar objetos sólidos. Para establecer consistencia, el formato STL (estereolitografía, la primera técnica RP) se adoptó como estándar de la industria. El segundo paso es convertir el archivo CAD a formato STL. Este formato representa una superficie tridimensional como un ensamblaje de triángulos planos, "como las facetas de una joya tallada".

El archivo contiene las coordenadas de los vértices y la dirección de la normal hacia afuera de cada triángulo. Como los archivos STL usan elementos planos, no pueden representar superficies curvas exactamente. Aumentar el número de triángulos mejora la aproximación, pero a costa de mayor tamaño de archivo. Archivos grandes y complejos requieren más tiempo para preprocesar y construir, por lo que el diseñador debe equilibrar precisión con manejabilidad. Como el formato STL es universal, este proceso es idéntico para todas las técnicas RP.

3. Cortar el archivo STL en capas transversales

En el tercer paso, un programa de preprocesamiento corta el archivo STL para construirlo. Varios programas están disponibles, y la mayoría permite ajustar tamaño, ubicación y orientación del modelo. La orientación de construcción es importante por varias razones. Primero, las propiedades de los prototipos rápidos varían de una dirección de coordenada a otra. Por ejemplo, los prototipos suelen ser más débiles y menos precisos en la dirección z (vertical) que en el plano x-y. Además, la orientación de la pieza determina parcialmente el tiempo de construcción. Colocar la dimensión más corta en la dirección z reduce el número de capas, acortando el tiempo. El software de preprocesamiento corta el modelo STL en capas de 0.01 mm a 0.7 mm de espesor, según la técnica.

4. Construir el modelo capa por capa

El cuarto paso es la construcción real de la pieza. Usando una de varias técnicas (descritas en la siguiente sección), las máquinas RP construyen una capa a la vez a partir de polímeros, papel o metal en polvo. La mayoría de las máquinas son bastante autónomas, necesitando poca intervención humana.

5. Limpiar y acabar el modelo

El paso final es el post-procesamiento. Implica retirar el prototipo de la máquina y separar cualquier soporte. Los prototipos también pueden requerir limpieza menor y tratamiento superficial. Lijado, sellado y/o pintado mejorarán su apariencia y durabilidad.

Técnicas de Prototipado Rápido

Se han desarrollado varias técnicas RP. Pueden clasificarse en tres categorías principales, según la forma del material inicial:

1. Basadas en líquido
2. Basadas en sólido
3. Basadas en polvo

1. Tecnologías Basadas en Líquido

En esta categoría se discuten tres métodos RP:

1. Estereolitografía
2. Curado de suelo sólido (Solid Ground Curing)
3. Fabricación por deposición de gotas (Droplet Deposition Manufacturing)

Estereolitografía

La estereolitografía es un tipo de tecnología de impresión 3D usada para creación capa por capa de modelos, prototipos, patrones y piezas de producción usando procesos fotoquímicos donde la luz causa que monómeros y oligómeros químicos se entrecrucen para formar polímeros.

La estereolitografía (SL) fue introducida comercialmente por 3D Systems Inc. (Valencia, CA) a finales de 1987, basada en un proceso patentado desarrollado originalmente por Charles Hull. Al ser la primera técnica RP, varios sistemas están disponibles comercialmente.

Curado de Suelo Sólido

Cubital Ltd. desarrolló este sistema RP. En este proceso, una capa de resina polimérica líquida se cura con luz ultravioleta. Esto se logra exponiendo la capa de manera instantánea (flash) o por inundación. El límite y área de exposición se generan desarrollando una placa de máscara de vidrio por deposición electrostática de tóner negro, y fresando para proporcionar un soporte plano para la siguiente capa. Cuando todas las capas están completas, la pieza prototipo se lava para eliminar la cera soluble en agua. La resina fotopolimérica de Cubital se cura completamente durante la fabricación de cada capa.

Fabricación por Deposición de Gotas

Usando esta tecnología, las gotas de metal pueden generarse flexiblemente y controlarse con precisión. La fabricación net-shape de componentes o lingotes basada en gotas de metal controladas con precisión está ganando interés industrial debido a la promesa de calidad mejorada resultante del procesamiento de solidificación rápida y los beneficios económicos asociados con un componente estructural en una operación integrada.

2. Técnicas Basadas en Sólido

En esta categoría se discuten dos métodos RP:

1. Fabricación de objetos laminados (Laminated Object Manufacturing)
2. Modelado por deposición fundida (Fused Deposition Modeling)

Fabricación de Objetos Laminados (LOM)

La fabricación de objetos laminados es un proceso de manufactura aditiva menos conocido que implica colocar sucesivamente láminas de material de construcción, unirlas con calor y presión, y luego cortarlas en la forma deseada con una cuchilla o láser de carbono.

El proceso LOM de Helisys, Inc. (Torrance, CA) usa materiales en lámina sólida, típicamente papel blanqueado "de carnicero", para crear piezas prototipo. La máquina LOM posiciona automáticamente una lámina delgada de un rollo sobre una plataforma elevadora.

Modelado por Deposición Fundida (FDM)

El modelado por deposición fundida (FDM) es una tecnología que usa el método de extrusión en fusión para depositar filamentos de termoplásticos en un patrón específico. El FDM, como la impresión 3D, tiene un cabezal de impresión que puede moverse a lo largo de los ejes X e Y sobre una plataforma de construcción.

FDM es el nombre de la tecnología usada por sistemas RP comerciales de Stratasys, Inc. (Minneapolis, MN). Los sistemas Stratasys están dirigidos principalmente a equipos de desarrollo de producto para uso en la etapa de diseño conceptual. El sistema utiliza operación simple. Materiales inertes y ausencia de humos hacen el proceso FDM compatible con entorno de oficina.

3. Tecnologías Basadas en Polvo

En esta categoría se discuten tres métodos RP:

1. Sinterizado selectivo por láser (Selective Laser Sintering)
2. Impresión tridimensional (Three Dimensional Printing)
3. Moldeo neto por láser (Laser Engineered Net Shaping)

Sinterizado Selectivo por Láser (SLS)

El sistema Sinterizado Selectivo por Láser (SLS) de DTM Corporation (Austin, Texas) construye piezas capa por capa usando un láser para unir material en polvo en la forma deseada. En este proceso, se extiende una capa de polvo termoplástico. Luego, usando un haz láser de alta potencia, la porción necesaria para el modelo se funde y enfría. Un rodillo extiende la siguiente capa y el proceso se repite.

El polvo no sinterizado sirve como soporte para voladizos. Recientemente, el proceso se ha extendido para producir piezas cerámicas y metálicas. Requiere sinterizado en horno para unión completa. El proceso es simple, el rango de materiales es amplio. La limitación visual es que las piezas son porosas y solo útiles para aplicaciones específicas.

Impresión Tridimensional (3DP)

En este proceso, un objeto 3D se fabrica aplicando selectivamente aglutinante a capas finas de polvo, causando que las partículas se adhieran. Cada capa se forma generando una capa fina de polvo y luego aplicando aglutinante con un mecanismo tipo inyección de tinta. Las capas se forman secuencialmente y se adhieren entre sí para generar el objeto 3D.

Las gotas no deseadas de aglutinante se desvían antes de alcanzar el polvo cargándolas eléctricamente en la boquilla y desviándolas aplicando potencial a electrodos debajo de la boquilla. Después de formar todas las capas, el polvo no unido se retira y la pieza se cuece en horno para curar y fortalecer.

Este proceso puede fabricar piezas en gran variedad de materiales: cerámicos, metálicos, compuestos metal-cerámicos y polímeros. Las limitaciones son acabado superficial inadecuado y porosidad.

Moldeo Neto por Láser (LENS)

La fortaleza de estas tecnologías radica en la capacidad de fabricar piezas metálicas totalmente densas con buenas propiedades metalúrgicas a velocidades razonables. Un láser de alta potencia funde polvo metálico suministrado coaxialmente al foco del haz láser a través de una cabeza de deposición. Pueden usarse diversos materiales: acero inoxidable, cobre, aluminio, etc. De particular interés son materiales reactivos como el titanio.

La mayoría de sistemas usan alimentación de polvo. Los objetos fabricados son forma casi neta (near net shape), pero generalmente requieren mecanizado de acabado. Son totalmente densos con buena estructura de grano, y tienen propiedades similares o incluso mejores que los materiales intrínsecos. Aplicaciones iniciales se concentran en fabricación y reparación de herramientas de moldeo por inyección y fabricación de piezas grandes de titanio y otros metales exóticos para aplicaciones aeroespaciales.

Limitaciones del Prototipado Rápido

Los sistemas de prototipado rápido aún no pueden producir piezas en una amplia gama de productos a alta velocidad. No obstante, un número creciente de aplicaciones aprovecha la fabricación aditiva e incorpora piezas hechas directamente por procesos RP. Hoy, típicamente son artículos de bajo volumen con geometrías complejas usados en aplicaciones de alto valor añadido como medicina o aeroespacial.

A medida que materiales y tecnologías han mejorado, y las capacidades se han entendido mejor, la fabricación directa se ha convertido en un área de rápido crecimiento en prototipado rápido.

Para abordar una gama más amplia de aplicaciones más pronto, el RP también se usa a menudo como punto de partida para hacer procesos de fabricación convencionales más rápidos, baratos y mejores. El prototipado rápido se usa de dos formas: los moldes pueden fabricarse directamente por un sistema RP, o las piezas generadas por RP pueden usarse como patrones para fabricar un molde mediante procesos indirectos o secundarios.

Aplicaciones del Prototipado Rápido

El prototipado rápido se usa para modelar nuevos productos a gran velocidad. Jacob identificó las siguientes aplicaciones:

1. Visualización
2. Verificación
3. Iteración
4. Optimización
5. Fabricación

1. Visualización

En planos y modelos CAD, los visualizadores tienen dificultades para identificar correctamente algunas características del producto. Esto es cierto cuando el producto contiene agujeros ciegos, pasajes internos complejos y superficies de curvas compuestas. El prototipado rápido detecta todas las características al tener el prototipo del producto final disponible para inspección y toma de decisiones.

2. Verificación

Ingenieros y gerentes de fabricación pueden verificar características como deformación, temperatura operacional, fatiga, etc. en prototipos totalmente funcionales. Así el producto se verifica antes de ir a un ciclo de fabricación completo.

3. Iteración

Una vez hecho el prototipo, el diseñador puede realizar pruebas dentro de los límites físicos. Por ejemplo, pruebas de flujo dinámico de fluidos en un prototipo de fotopolímero curado. Si se detecta un problema, la geometría puede modificarse en el modelo, construirse un nuevo RP y repetir la prueba.

4. Optimización

La optimización del diseño puede mejorar la situación. La tecnología RP permite alterar el diseño sin problemas. Logrado un diseño aceptable mediante iteración RP, el diseñador puede optimizar cambiando varios parámetros del producto y probando cuál es el mejor.

5. Fabricación

Una vez desarrollado un prototipo optimizado usando cualquier método RP, es importante fabricar un modelo de prueba funcional (FTM). Como este modelo no ha sido fabricado ni probado, no se sabe si pasará los requisitos de prueba funcional. El RP puede usarse para realizar pruebas funcionales en el FTM. Si el resultado es satisfactorio, comienzan las actividades de pre-fabricación de herramientas.