Elegir el Proceso de Prototipado Rápido Adecuado para el Éxito del Nuevo Producto

El éxito o fracaso de un prototipo depende de tu selección de procesos de prototipado rápido para el desarrollo de nuevos productos. Hay varias formas de hacer prototipos de diseño de productos de ingeniería, desde maquetas simples de cartón hasta subensamblajes metálicos totalmente mecanizados.

El prototipado es crucial para cualquier diseño de producto de ingeniería, especialmente en DNP. Es el proceso de hacer modelos aproximados del producto para probar funcionalidad, forma, tamaño, etc. Lea más sobre los diversos tipos de prototipos y su importancia aquí.

Este artículo trata sobre prototipos basados en piezas: cómo se pueden hacer piezas individuales para crear prototipos de producto a nivel de sistema.

5 factores clave al seleccionar un proceso de prototipado rápido

Los prototipos varían mucho ya que cada proyecto, producto y elemento de diseño son diferentes. Como el éxito de cualquier prototipo depende de los criterios de selección del proceso, estos 5 factores clave deben considerarse al inicio:

Propósito
Calidad
Cantidad
Complejidad
Presupuesto/coste

Analicemos estos factores para entender por qué son esenciales en la elección de tu próximo proceso de prototipado.

1. Propósito

Dentro de un proyecto de diseño y desarrollo de producto de ingeniería, los prototipos se crean para cuatro propósitos, según Ulrich y Eppinger (2008): Aprendizaje, Comunicación, Integración y Hitos. Estos propósitos variarán según en cuál de las 4 etapas del DNP te encuentres. Cada etapa tendrá sus requisitos de características y funcionalidad para eliminar riesgo, definiendo el tipo de fidelidad del prototipo requerido (calidad del prototipo, discutida después).

Primero, dependerá de los ensayos planificados o ejercicios de mitigación de riesgo como tipos de test, feedback de interacción con clientes, etc. Si el producto pasará por pruebas rigurosas, despliegue exterior y verificación, la selección de material jugará un papel clave en la elección de la técnica de prototipado.

Segundo, cualquier aspecto funcional que quieras en tu prototipo. ¿Planeas pruebas funcionales o tienes partes móviles? Esto dictará la selección y ensamblaje.

Tercero, cambios y modificaciones. Es muy improbable que tu prototipo sea un éxito sin algunos ajustes. Considera qué tan fácil o difícil sería modificarlo para que funcione.

Etapa del DNP

Planificación del producto y clarificación de la tarea
- Esta etapa generalmente requiere maquetas de prueba de concepto muy tempranas, unidades de demostración y prototipos de diseño industrial
- Técnicas de prototipado:
  - Modelos de espuma mecanizados CNC
  - Maquetas de cartón
  - Piezas y ensamblajes impresos en 3D (FDM, SLA, SLS, etc.)

Diseño conceptual
- En esta etapa probablemente necesites piezas o ensamblajes escalados del diseño junto con alguna interfaz de usuario y funcionalidad limitada
- De nuevo, piezas FDM son geniales para sentir forma y tamaño. Si necesitas más precisión, podrías pasar al siguiente nivel de impresión 3D: SLA, SLS y piezas polyjet. Si las piezas son metálicas, el mecanizado CNC en esta etapa es tu mejor opción. En algunos casos, la fabricación de chapa también vale la pena considerar
Diseño de implementación (Embodiment design)
- Esta es la fase de desarrollo donde necesitas explorar prototipos totalmente funcionales (forma, ajuste y función), por lo que los detalles son importantes. En esta etapa, es más que probable que los prototipos sean ensamblajes de trabajo con muchas piezas
- También necesitarás más de una unidad para pruebas, y vale la pena considerar las técnicas de fabricación final para que puedan simularse
- Considera vaciado al vacío (vacuum casting) e impresión 3D de alta resolución como SLS y SLA para piezas plásticas
- Piezas SLM/DMLS son ideales para simular piezas de fundición (arena, microfusión, fundición a presión)

Diseño detallado
- Cualquier prototipo hecho en esta fase es más que probable que se use para pruebas funcionales y también para pilotos de pre-producción
- Piezas de moldeo por inyección pueden prototiparse con vaciado al vacío mientras que piezas plásticas mecanizadas pueden imprimirse en 3D

2. Calidad

Como se discutió, la fidelidad o precisión del producto requerida dictará el tipo de proceso y post-procesado necesario. La calidad del prototipo comparada con tu producto final o subcomponente también debe considerarse. Como los prototipos de alta fidelidad cuestan más, deben considerarse en términos de retorno de inversión.

Por ejemplo, si tienes una característica de rosca en una pieza, SLA es mejor que FDM pero costará más.

La vida del prototipo también es crucial al decidir la tecnología. Por ejemplo, si las piezas tienen sujetadores que se usarán frecuentemente, entonces inserts mecanizados o metálicos son mejor opción que roscas impresas en 3D o agujeros autorroscantes.

Selección de material también juega un papel vital en la calidad del prototipo. Si los elementos funcionales están ligados a propiedades materiales especiales, como acabado superficial y durabilidad, entonces elegir piezas de fabricación aditiva podría no ser la mejor opción. Las opciones generales de materiales para diferentes métodos son:

Impresión 3D	CNC	Vaciado al vacío
Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, Nylon, Policarbonato, PEEK	ABS, Nylon, Nylon HT
Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Inconel	Aluminio, Acero inoxidable, Titanio, Latón	N/A

Si el prototipo tiene más de una pieza, la tolerancia de las piezas prototipadas deberá considerarse para facilitar la integración.

3. Cantidad

El número de piezas de prototipo requeridas es esencial para decidir el proceso, ya que algunas tecnologías solo son rentables para cantidades pequeñas. Para piezas de fabricación aditiva, el volumen también juega un papel crucial en el coste ya que piezas grandes requieren más tiempo de impresión. Como regla general, se aplican las siguientes reglas.

Piezas plásticas

Procesos de prototipado
Piezas plásticas		Cantidad
Piezas plásticas		Baja (1-9)	Media (10-99)
Tamaño	Pequeño	Impresión 3D	Mecanizado CNC (simple) Impresión 3D (complejo)
Tamaño	Grande	Impresión 3D	Vaciado al vacío Mecanizado CNC

Piezas metálicas

Procesos de prototipado
Piezas metálicas		Cantidad
Piezas metálicas		Baja (1-9)	Media (10-99)
Tamaño	Pequeño	Mecanizado CNC Impresión 3D	Mecanizado CNC Microfusión (investment casting)
Tamaño	Grande	Mecanizado CNC	Mecanizado CNC

4. Complejidad

La complejidad de la pieza e intricacia de las características también dictarán la selección del proceso de prototipado rápido. La fabricación aditiva es buena para producir piezas pequeñas muy complicadas, pero se debe tener cuidado con el diseño final porque complicado significa producción en masa muy costosa.

Proceso	Tolerancia (mm)	Espesor mínimo de pared (mm)
FDM	±0,20 – ±0,50	0,8 - 1,0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7 – 1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4 – 0,5
Binder jetting	±0,20	1,5 – 2,0
CNC *	±0,012	0,5
Vaciado al vacío	±0,1	0,9 – 1,0

Nota: estas tolerancias y espesores mínimos son valores típicos y varían enormemente según elección de material y diseño de características.

Piezas que eventualmente se producirán por moldeo por inyección, varias formas de fundición pueden prototiparse con impresión 3D, mientras que piezas mecanizadas pueden imprimirse en 3D o fabricarse con procesos convencionales de conformado o sustractivos.

5. Coste

Finalmente, los recursos disponibles; el objetivo del prototipo irá de la mano con los recursos. Tiempo, dinero y horas-hombre para fabricar y hacer funcionar los prototipos deben considerarse al elegir la tecnología.

Aspectos a considerar:

La mayor parte del tiempo, el tiempo consumido por post-procesado o para hacer funcionar la pieza desde prototipos de baja calidad será mayor que el de prototipos de alta calidad
Algunos procesos como impresión 3D pueden necesitar tiempo de post-procesado pero es relativamente rápido y barato, mientras que el vaciado al vacío daría piezas casi idénticas al moldeo por inyección y usables sin post-procesado. Sin embargo, será más caro con el coste de utillaje
El coste del CNC es proporcional a la complejidad de la pieza mientras que el coste de AM es directamente proporcional al volumen y tamaño
El coste total también estará estrechamente ligado a las cantidades, más para un proceso como CNC por el mayor coste de preparación

Resumen

El desarrollo de nuevos productos de ingeniería casi siempre implica hacer prototipos para probar ideas, funcionalidades, etc. Pero la calidad de tus pruebas y la toma de decisiones posterior dependerá en gran medida de qué tan bien tu prototipo simule el producto final. Por tanto, seleccionar el proceso correcto para hacer el prototipo es crucial para el éxito de cualquier producto de ingeniería.

Una vez que tengas clara comprensión de los 5 factores clave, puedes decidir el tipo de proceso a explorar. Hay muchas formas de hacer prototipos, y cada proceso tendrá sus ventajas y limitaciones. Así, elegir el correcto es vital para tu éxito en prototipado.

Pasos del proceso de selección de prototipado rápido: