Prototipado Rápido con Impresión 3D: Revolucionando Procesos de Fundición

Impacto de la impresión 3D en fundición en arena y a la cera perdida

La impresión 3D es uno de muchos avances que permiten prototipado más rápido.

Un diseñador, emprendedor o inventor tiene una idea y comienza el proceso para darle vida. Al principio la idea está hecha de bocetos y planes, investigación y diseño, pero el foco del diseñador está en crear un objeto físico. No hay sustituto para sostener un modelo o prototipo y ver una visión cobrar vida. El prototipado permite al diseñador tener confianza en su idea, resolver fallos de producción, y convencer inversores o clientes.

Durante el primer lanzamiento de un objeto al mundo, un creador debe guiar su nuevo producto por cuestiones de propiedad intelectual, análisis final de costes, preocupaciones mecánicas y estéticas, y expectativas de inversores, clientes o mercado. Una buena corrida de prototipado da espacio para explorar todos estos temas.

Por fortuna, el auge del prototipado rápido asistido por computadora ha simplificado los detalles técnicos de este proceso, permitiendo al creador producir el mejor producto posible.

Historia del prototipado

Antes del auge de tecnologías asistidas por computadora, todos los prototipos de fundición metálica se construían a partir de modelos diseñados a mano. Tras la fase inicial de diseño, un modelista artesano convertiría el dibujo en una escultura tridimensional. Para fundiciones en arena, estos modelos usualmente eran de madera, pero ocasionalmente de metal o cerámica. Algunos modelos se rendían en cera para un proceso de fundición a la cera perdida. Estos modelos sueltos eran la primera representación general del objeto final.

Estos modelos no serían idénticos al prototipo, aunque pudieran parecerse al producto final. Los modelos a menudo son ligeramente mayores que el modelo final, para compensar la contracción durante el proceso de fundición. También podrían separarse en secciones, crearse como meros contornos geométricos para moldes de barrido, o tener ángulos extraños diseñados para compensar la deformación del metal al contraerse o para proporcionar desmoldeo para retirar el modelo de un molde de arena.

Los modelos se daban a un moldeador experto en el suelo de la fundición, usualmente para crear el molde de arena necesario para la fundición del prototipo. El paso de moldeo solía ser desafiante, no tan simple como solo presionar un modelo en arena. Un moldeador tenía que tallar las líneas de partición de la fundición, y colocar los canales y orificios necesarios que permitirían al metal fundido llenar el molde uniforme y completamente, y enfriarse sin defectos. Estos canales incluyen la canaleta, o la entrada por donde se vierte metal líquido; compuertas, canales de tamaño variable que controlan la tasa de flujo del material fundido; canales de distribución, que permiten al metal líquido fluir de un área del molde a otra; y alimentadores, grandes depósitos que se mantienen calientes más que la fundición, y por tanto pueden alimentar metal líquido a la fundición mientras se enfría y contrae, previniendo huecos.

De este minucioso trabajo de tanto el modelista como el moldeador, se fundirían prototipos metálicos.

Una vez que los operarios de fundición habían desmoldeado una fundición metálica limpia, el diseñador original podía evaluarla. Estética, peso, acabado y ajuste quedarían claros. Si no era solo un objeto decorativo, sino algo diseñado para manejar tensión mecánica, el diseñador probaría el objeto cargándolo hasta su tolerancia declarada, y más allá, para verificar la ingeniería. Las fundiciones también probarían prototipos destruyéndolos: la fundición se cortaría en piezas, para buscar deformidades internas.

Llevar un diseño a fabricación también haría más clara la inversión y retorno. Un diseñador o inventor podría usar la fase de prototipado para presupuestar y encontrar eficiencias para una corrida de producción completa.

Tras pensar en el prototipo en todos estos sentidos, podrían necesitarse cambios en el diseño. Ya fueran las modificaciones grandes o pequeñas, usualmente crearían horas de trabajo de nuevo para el modelista artesano, y para el moldeador después.

El prototipado era un proceso largo y costoso.

Digitalización y diseño asistido por computadora

El auge del prototipado rápido ha hecho mucho más fácil crear un modelo funcional. También retrasa la primera vez que se necesita un objeto físico.

Los planos y bocetos técnicos antes se hacían a mano. Ahora, se digitalizan mediante programas CAD (Diseño Asistido por Computadora). Es muy simple cambiar archivos CAD digitales muchas veces durante el proceso de prototipado, mientras que los planos históricos eran laboriosos de redibujar.

Los dibujos CAD pueden convertirse en simulaciones complejas y bien imaginadas de la corrida de fabricación y el producto final. Son un paso de prototipado digital, creando un modelo computacional completo que actúa más como un prototipo inicial de lo posible con papel y lápiz. Los archivos CAD también pueden usarse por programas que tienen información de fabricación y producción. Si un diseñador envía archivos CAD con su objeto a una fundición, los metalúrgicos pueden usar programas con vastas bases de datos de propiedades de metales y procesos de moldeo para evaluar el boceto y predecir posibles problemas. Problemas que una vez pudieron tomar una corrida de prototipado para descubrir pueden encontrarse antes de verter el primer metal.

Estos programas también ayudan a la fundición, ayudando a colocar canaletas, compuertas, canales de distribución y alimentadores en los lugares que crearán la fundición más sólida, antes de que el modelo llegue al suelo de la fundición.

Aun así, no importa cuán complejos o bien imaginados, siguen siendo abstracciones. La gente a menudo necesita un prototipo físico para realmente entender un diseño.

Maquetas y pre-prototipos de producción

Con la llegada de la impresión 3D, maquetas pueden hacerse rápido y a cualquier escala, a menudo mucho antes de contactar un fabricante. Ahora es común que los diseñadores construyan sus propios primeros prototipos internamente. Ya sea en miniatura o a escala, un diseñador puede sostener una maqueta de su proyecto para ver cómo podría unirse todo.

La impresión 3D es parte de un nuevo estilo de "diseño iterativo" de rápido cambio. Modelos 3D pueden imprimirse, criticarse, cambiarse, e reimprimirse todo en un día. Esto es rápido y barato comparado al complejo proceso de modelación y fundición metálica.

En la fundición, el prototipado rápido también puede ayudar a crear modelos para ser presionados en el molde de formas nuevas y novedosas. El mecanizado guiado por láser puede fabricar un modelo de metal. La impresión 3D puede crear directamente modelos para fundición a la cera perdida, lo que puede ser eficiente para series cortas o complejas.

Prototipos de producción

Eventualmente, los prototipos necesitarán hacerse del material correcto al tamaño correcto y se ordenará una corta corrida de producción al fabricante. La llegada de tecnologías digitales significa que el modelista y el moldeador ahora son guiados en su trabajo por programas de computadora, acelerando estos pasos de prototipado. Sin embargo, no todo ha cambiado. Un modelo de madera suelto se crea usualmente para los primeros prototipos de una corrida de producción de fundición en arena (o un modelo de cera para fundición a la cera perdida). Estos modelos de trabajo se harán y probarán como siempre.

La fundición sigue haciendo pruebas destructivas. Los metalúrgicos cortarán o taladrarán algunas de las fundiciones para asegurar que estén libres de defectos, o que los defectos estén dentro de tolerancias acordadas. Cuando la fundición está confiada, enviará muestras al cliente. El cliente entonces termina la fundición como pretende, y la pone a trabajar. ¿El prototipo funcional se ve y actúa como se intended? ¿Puede manejar su carga esperada?

En nuevas invenciones, el innovador puede necesitar varias rondas de prototipos funcionales para ajustar el diseño o material. Para piezas más estándar, el prototipo funcional podría ser la prueba de concepto que encontrará clientes o inversores para pagar una corrida de producción completa.

La velocidad de estas corridas de prototipado se ve mejorada por la llegada de tecnologías como ultrasonido y rayos X. Las fundiciones ahora pueden probar de formas no destructivas así como destructivas. Los técnicos pueden verificar la solidez del metal sin cortar la fundición. Esto significa que se pueden hacer menos prototipos y aun así proporcionar prueba completa en la línea de producción. Artículos inspeccionados por una fundición de formas no destructivas pueden enviarse de la fundición al cliente para inspección, acabado y prueba de carga. El prototipado rápido, entonces, también es provisto por nuevas opciones de prueba no destructiva, que permiten menos inversión en corridas de prototipado de producción.

Acuerdos de confidencialidad y patentes

No son solo los temas técnicos los afectados por el prototipado rápido, sino también los de propiedad intelectual. Tan pronto como el diseño sale del taller del diseñador y entra al mundo de la fabricación, la PI se vuelve una preocupación.

Si un producto es el primero de su tipo, un inventor generalmente planeará presentar una patente. En muchas situaciones es imprudente presentar una patente antes de que un prototipo funcional de producción haya sido probado. Tanto el trabajo que va al prototipado, como la prueba del diseño después, podrían detectar fallos que cambiarían la solicitud de patente.

Las patentes se anuncian públicamente al presentarse. El prototipado rápido acelera el ciclo de producción para todos. Una patente defectuosa podría ser forraje creativo para un competidor, que puede lanzar rápidamente su propia investigación y desarrollo, usando la patente como base. Por tanto, esperar hasta el final del prototipado para patentar es a menudo tanto protector en coste como en propiedad intelectual. Un inventor usualmente no quiere gastar dinero en un complicado proceso de patente, solo para tener que rehacerlo con la competencia a sus talones.

Este proceso puede dejar al inventor sintiéndose vulnerable de que alguien en el proceso de prototipado pueda copiar su diseño y llevarlo al mercado primero. Por tanto, es importante tener buena relación con un fabricante reputado y tener diseños protegidos con Acuerdos de No Divulgación claros.

Prototipado rápido para mejor diseño

El otro lado de esta precaución es el impulso empresarial de sacar un producto, aunque sea en mercados de prueba limitados o a beta-testers. El fundador de LinkedIn, Reid Hoffman, es ampliamente citado diciendo "Si no te avergüenza la primera versión de tu producto, lanzaste demasiado tarde".

El prototipado rápido está ayudando a los diseñadores a realizar un mejor producto antes de ir al mercado. La facilidad de esta etapa puede ser un canto de sirena, sin embargo, que mantiene a los diseñadores ajustando para conseguir la perfección antes de lanzar. Es importante recordar que el desarrollo no necesita terminar el trabajo de refinar y perfeccionar productos. La vida de una fundición puede empezar con diseño y prototipado, pero a menudo engendra generaciones de productos que cambian ligeramente estilo, material, método de fundición, capacidad mecánica, tamaño o función.