Prototipado Rápido: Tipos, Procesos y Beneficios Explicados

¿Qué es el Prototipado Rápido?

El prototipado rápido es la fabricación veloz de una pieza física, modelo o ensamblaje utilizando diseño asistido por computadora en 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 notable 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 de productos.

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.

¿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 desde 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 material líquido, polvo o 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 unas 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.

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 Cubeta

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 fotopolímera 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. Este proceso continúa hasta completar la pieza.

Ventajas: Para modelos conceptuales, prototipos cosméticos y diseños complejos, la SLA puede producir piezas con geometrías intrincadas y excelentes acabados superficiales comparados con otros procesos aditivos. El costo es competitivo y la tecnología está disponible de 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 exterior, las construidas en SLA deben usarse con exposición mínima a UV y humedad para evitar degradación.

2. Sinterizado Selectivo por Láser (SLS)

Utilizado tanto para prototipado de metal como de 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 para completarlo.

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

El SLS usa polvos de nylon 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 granulosa 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.

Después de 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 transicionar 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 que pueden usarse 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 pueden aumentar. Debido al origen del metal en polvo del proceso directo de metal, el acabado superficial de estas piezas es ligeramente rugoso. El proceso en sí es relativamente lento y generalmente requiere post-procesamiento 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 de 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 rápido 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 un 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, que a menudo se hace 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 en la industria para piezas plásticas, por lo que hay ventajas inherentes en prototipar en 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 material del proceso de prototipado.

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

Desventajas: Existe un costo inicial de herramientas asociado al moldeo por inyección rápido que no ocurre con ninguno de los procesos aditivos ni con el 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 hechas no son tan fuertes como las fabricadas con SLS. La inyección de aglutinante usa una cama de polvo sobre la cual boquillas rocían microgotas de líquido para unir las partículas de polvo y formar una capa de la pieza.

Cada capa puede compactarse luego con un rodillo antes de aplicar la siguiente capa de polvo y comenzar el proceso de nuevo. Cuando la pieza está completa, puede curarse en un 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 fotopolímera 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 retira 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, puede producir piezas en múltiples opciones de color y duplica fácilmente geometrías complejas.

Desventajas: Las piezas PolyJet tienen resistencia limitada (comparable a SLA) y no son adecuadas para pruebas funcionales. Aunque PolyJet puede fabricar piezas con geometrías complejas, no da información sobre la eventual fabricabilidad 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 con láser	2,500-10,000 psi (17.2-68.9 MPa)	Capas aditivas de 0.002-0.006 pulg. (0.051-0.152 mm) típico	Fotopolímeros tipo termoplástico
Sinterizado Selectivo por Láser	Polvo sinterizado con láser	5,300-11,300 psi (36.5-77.9 MPa)	Capas aditivas de 0.004 pulg. (0.102 mm) típico	Nylon, TPU
Sinterizado Directo de Metal por Láser	Polvo metálico sinterizado con láser	37,700-190,000 psi	Capas aditivas de 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 de 0.005-0.013 pulg. (0.127-0.330 mm) típico	ABS, PC, PC/ABS, PPSU
Multi Jet Fusion	Array de inyección fusionando selectivamente cama de polvo de nylon	6,960 psi (48 MPa)	Capas aditivas de 0.0035-0.008 pulg. (0.089-0.203 mm) típico	Nylon 12 Negro
PolyJet	Fotopolímero inyectado curado con UV	7,200-8,750 psi (49.6-60.3 MPa)	Capas aditivas de 0.0006-0.0012 pulg. (0.015-0.030 mm) típico	Fotopolímeros basados en acrílico, fotopolímeros elastoméricos
Mecanizado CNC	Mecanizado con fresadoras y tornos CNC	3,000-20,000 psi (20.7-137.9 MPa)	Mecanizado sustractivo (liso)	Mayoría de termoplásticos y metales de grado ingeniería y commodity
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 de grado ingeniería y commodity, metal, y caucho de 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 para el éxito de una empresa, el prototipado rápido se convierte en el elemento más importante en el desarrollo de nuevos productos. Se logran los siguientes objetivos mediante el prototipado rápido.

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

Aplicaciones

Los diseñadores de productos usan este proceso para la fabricación rápida de piezas prototipo representativas. Esto puede ayudar 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 Herramientas Rápidas (Rapid Tooling) es otra aplicación del PR donde una pieza de un tapón moldeado por inyección o una cuña de sensor ultrasónico se hace 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 riesgo
• Permite pruebas de funcionalidad
• Participación del usuario mejorada y aumentada
• Capacidad para evaluar factores humanos y ergonomía

Desventajas del Prototipado Rápido

• Falta de precisión
• Costos iniciales añadidos
• Algunos procesos de prototipado rápido siguen siendo caros y no económicos
• Propiedades de material como acabado superficial y resistencia no pueden igualarse
• Requiere mano de obra calificada
• La gama de materiales que pueden usarse es limitada
• Pasar por alto características clave porque no pueden prototiparse
• Confusión del usuario final, clientes confundiéndolo con el proyecto terminado/desarrollador malentendiendo 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 de la pieza, modelo o ensamblaje se completa generalmente mediante manufactura aditiva, más 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 de impresión 3D lee los datos del dibujo CAD y deposita capas sucesivas de material líquido, polvo o lámina construyendo el modelo físico a partir de una serie de secciones transversales.

¿Cuáles son los diferentes tipos de prototipado rápido?

Diferentes Tipos de Prototipado Rápido:

1. Estereolitografía (SLA) o Fotopolimerización en Cubeta.
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.

¿Qué es un ejemplo de prototipado rápido?

Un ejemplo común y frecuente de prototipado rápido es la impresión 3D. La posibilidad de producir un modelo 3D rápido usando esta variante de impresión puede ahorrar mucho tiempo y costos en el proceso de producción.

¿Dónde se usa el prototipado rápido?

El prototipado rápido puede usarse en cualquier etapa del ciclo de desarrollo de producto para cualquier componente o subcomponente. El prototipado puede repetirse numerosas veces a lo largo del proceso de diseño de nuevo producto usando los datos de prueba para lograr la pieza deseada.

¿Cómo funciona el prototipado rápido? (Detalle técnico)

El prototipado rápido usa 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 unas pocas horas.

¿Qué es el prototipado rápido y sus características?

El prototipado rápido es una estrategia ágil usada a lo largo del proceso de desarrollo de producto. Con este enfoque, se crean y prueban prototipos tridimensionales de un producto o característica para optimizar características como forma, tamaño y usabilidad general.

¿Cuál es la principal ventaja del prototipado rápido?

El prototipado rápido proporciona a los equipos de ingeniería, diseño y desarrollo ventajas distintas como: la capacidad de explorar y realizar conceptos más rápidamente. Esta eficiencia en tiempo y costo permite a los equipos ir más allá de la mera visualización de un producto, facilitando la comprensión de las propiedades y diseño de un producto.

¿Dónde se originó el prototipado rápido?

El prototipado rápido en el sentido moderno tiene sus orígenes en la impresión 3D, habiendo sido desarrollado en los años 80 como una forma innovadora de producir prototipos. Desde entonces, el prototipado rápido ha expandido su significado para cubrir una gama de técnicas de manufactura, cada una enfocada en una diferente etapa de desarrollo de producto.

¿Qué es la cadena de proceso de prototipado rápido?

La cadena de proceso de prototipado rápido presentada aquí comienza con el diseño de componentes como modelos CAD tridimensionales. Los modelos maestros se realizan como piezas de polímero mediante técnicas RP y luego se copian en moldes de caucho de silicona para usarse directamente como herramientas para el proceso de moldeo por inyección a baja presión.

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

El término prototipado rápido es diferente de impresión 3D/manufactura aditiva. El prototipado rápido es la técnica de fabricar un modelo prototipo desde un archivo CAD. En otras palabras, 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?

El prototipado rápido es el grupo de técnicas usadas para fabricar rápidamente un modelo a escala de una pieza física o ensamblaje usando datos de diseño asistido por computadora tridimensional (CAD). Usando impresión 3D, los diseñadores pueden iterar rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos, y llegar a producción más rápido.

¿Cuáles son las desventajas del prototipado?

Desventajas del uso del Modelo Prototipo:

• Este modelo es costoso.
• Tiene mala documentación debido a requisitos de clientes que cambian continuamente.
• Puede haber demasiada variación en los requisitos.
• A veces los clientes exigen que el producto real se entregue pronto después de ver un prototipo temprano.

¿Cuál es la diferencia entre prototipado y prototipado rápido?

Lo que antes tomaba varias semanas con prototipado tradicional ahora toma solo unas horas con PR. 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?

Los siguientes son los tipos de tecnología de prototipado rápido disponibles para diseñadores de productos 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, e Inyección de material (PolyJet).

¿Cuáles son las aplicaciones del prototipado rápido?

El prototipado rápido se usa ampliamente para planificación quirúrgica, diagnóstico, entrenamiento, y diseño y fabricación de implantes personalizados. El diseño y manufactura asistidos por computadora 3D también se usan para el diseño y desarrollo de nuevos productos médicos. Acortan el tiempo de comercialización y ayudan además en la investigación.

¿Quién inventó el prototipado rápido?

El prototipado rápido en el sentido moderno a menudo se considera inventado en los años 80 por Hideo Kodama y Charles Hull con el desarrollo de la impresión 3D.

¿Qué materiales se usan en el prototipado rápido?

Nuevos materiales de prototipo se desarrollan constantemente que cada vez mejor igualan las especificaciones de materiales de producción final. ABS, acrílico, polifenilsulfona, policarbonato y nylon son solo algunos de los comúnmente usados, que ofrecen 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 de manufactura que haga productos añadiendo materiales gradualmente.

¿Qué es el proceso de manufactura rápida?

El término manufactura rápida se usa para resumir diferentes métodos y procesos de manufactura que sirven para la producción rápida y flexible de prototipos y piezas de serie. Se entiende que la producción implicará el uso de herramientas no convencionales que lean directamente los datos CAD disponibles.

¿Qué polímeros se usan en el prototipado rápido?

El Polidimetilsiloxano (PDMS) ha sido la base para el prototipado rápido en la comunidad académica de microfluidica, debido a su bajo costo, robustez y fabricación sencilla, que son particularmente ventajosos en las etapas exploratorias de investigación.

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

Lo que antes tomaba varias semanas con prototipado tradicional ahora toma solo unas horas con PR. 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 herramientas rápidas?

"Prototipado rápido" se refiere a los diversos métodos de manufactura aditiva usados para la producción rápida de componentes de muestra – de hecho, aquí es donde se originó la manufactura aditiva. Las herramientas rápidas son otra tecnología que acelera la manufactura de productos.