Prototipado rápido

El prototipado rápido es un conjunto de técnicas utilizadas para fabricar rápidamente una pieza física novedosa para su uso en pruebas iniciales del producto. El modelo se diseña utilizando software de diseño asistido por computadora ( CAD ). ^{[ 1 ] [ 2 ]} La construcción de la pieza generalmente se realiza utilizando tecnología de impresión 3D . ^{[ 3 ]}

Los primeros métodos de prototipado rápido estuvieron disponibles a mediados de 1987 y se utilizaron para producir modelos y piezas prototipo . Hoy en día, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y para fabricar piezas de calidad de producción en cantidades relativamente pequeñas si se desea, sin la típica economía desfavorable de la producción a corto plazo. ^{[ 4 ]} Esta economía ha fomentado las oficinas de servicios en línea. Los estudios históricos de la tecnología RP ^{[ 2 ]} comienzan con discusiones sobre las técnicas de producción de simulacros utilizadas por los escultores del siglo XIX. Algunos escultores modernos utilizan la tecnología derivada para producir exposiciones y diversos objetos. ^{[ 5 ]} La capacidad de reproducir diseños a partir de un conjunto de datos ha dado lugar a problemas de derechos, ya que ahora es posible interpolar datos volumétricos a partir de imágenes 2D.

Al igual que con los métodos sustractivos CNC , el flujo de trabajo CAD - CAM (diseño asistido por computadora - fabricación asistida por computadora ) en el proceso tradicional de prototipado rápido comienza con la creación de datos geométricos, ya sea como un sólido 3D usando una estación de trabajo CAD o cortes 2D usando un dispositivo de escaneo. Para el prototipado rápido, estos datos deben representar un modelo geométrico válido; es decir, uno cuyas superficies límite encierren un volumen finito, no contengan agujeros que expongan el interior y no se plieguen sobre sí mismas. ^{[ 6 ]} En otras palabras, el objeto debe tener un "interior". El modelo es válido si para cada punto en el espacio 3D la computadora puede determinar de manera unívoca si ese punto se encuentra dentro, sobre o fuera de la superficie límite del modelo. Los postprocesadores CAD aproximarán las formas geométricas CAD internas de los proveedores de la aplicación (por ejemplo, B-splines) con una forma matemática simplificada, que a su vez se expresa en un formato de datos específico que es una característica común en la fabricación aditiva : el formato de archivo STL , un estándar de facto para transferir modelos geométricos sólidos a máquinas SFF. ^{[ 7 ]}

Para obtener las trayectorias de control de movimiento necesarias para accionar el mecanismo real de SFF, prototipado rápido, impresión 3D o fabricación aditiva , el modelo geométrico preparado se divide normalmente en capas, y las capas se escanean en líneas (produciendo un "dibujo 2D" que se utiliza para generar la trayectoria, como en la ruta de la herramienta CNC ), imitando a la inversa el proceso de construcción física capa a capa.

El prototipado rápido también se aplica comúnmente en la ingeniería de software para probar nuevos modelos de negocio y arquitecturas de aplicaciones como la aeroespacial, la automotriz, los servicios financieros, el desarrollo de productos y la atención médica. ^{[ 8 ]} Los equipos de diseño aeroespacial e industrial confían en el prototipado para crear nuevas metodologías de fabricación aditiva en la industria. Usando SLA pueden hacer rápidamente múltiples versiones de sus proyectos en pocos días y comenzar las pruebas más rápido. ^{[ 9 ]} El prototipado rápido permite a los diseñadores/desarrolladores proporcionar una idea precisa de cómo será el producto terminado antes de invertir demasiado tiempo y dinero en el prototipo. La impresión 3D utilizada para el prototipado rápido permite la impresión 3D industrial. Con esto, se podrían tener moldes a gran escala para piezas de repuesto que se producirían rápidamente en un corto período de tiempo. ^{[ 10 ]}

• Estereolitografía (SLA) ^{[ 11 ]} → un fotopolímero curado con láser para materiales como fotopolímeros termoplásticos.
• Sinterización selectiva por láser (SLS) ^{[ 11 ]} → un polvo sinterizado por láser para materiales como el nailon o el TPU.
• Sinterización láser directa de metales (DMLS) ^{[ 11 ]} → polvo de metal sinterizado por láser para materiales como acero inoxidable, titanio, cromo y aluminio.
• Modelado por deposición fundida (FDM) ^{[ 11 ]} → extrusiones fundidas de filamentos como ABS, PC y PPCU.
• Fusión Multi Jet (MJF) ^{[ 11 ]} → es una matriz de inyección de tinta que fusiona selectivamente a través de una cama de polvo de nailon para nailon negro 12 .
• PolyJet (PJET) ^{[ 11 ]} → es un fotopolímero inyectado curado con UV para trabajar con fotopolímeros acrílicos y elastoméricos.
• Máquina de control numérico computarizado (CNC) ^{[ 11 ]} → se utiliza para manipular termoplásticos y metales de grado de ingeniería.
• Moldeo por inyección (IM) ^{[ 11 ]} → la inyección se realiza utilizando moldes de aluminio y se utiliza para termoplásticos, metales y caucho de silicona líquida.
• Fundición al vacío → es un proceso de fabricación utilizado para crear prototipos de alta calidad y pequeños lotes de piezas.

En la década de 1970, Joseph Henry Condon y otros en Bell Labs desarrollaron el Sistema de Diseño de Circuitos Unix (UCDS), que automatizó la laboriosa y propensa a errores tarea de convertir manualmente dibujos para fabricar placas de circuitos con fines de investigación y desarrollo. ^{[ 12 ]}

En la década de 1980, los responsables políticos y los directivos industriales estadounidenses se vieron obligados a reconocer que el dominio de Estados Unidos en la fabricación de máquinas herramienta se había esfumado, en lo que se denominó la crisis de las máquinas herramienta. Numerosos proyectos buscaron contrarrestar estas tendencias en el área tradicional de CNC CAM , que había comenzado en Estados Unidos. Posteriormente, cuando los sistemas de prototipado rápido salieron de los laboratorios para comercializarse, se reconoció que los avances ya eran internacionales y que las empresas estadounidenses de prototipado rápido no podían permitirse el lujo de perder la ventaja. La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) coordinó estudios para la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio ( NASA ), el Departamento de Energía de Estados Unidos , el Departamento de Comercio de Estados Unidos , el NIST , el Departamento de Defensa de Estados Unidos , la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) y la Oficina de Investigación Naval , con el fin de informar a los planificadores estratégicos en sus deliberaciones. Uno de esos informes fue el Informe del Panel de Prototipado Rápido en Europa y Japón de 1997 ^{[ 2 ]} en el que Joseph J. Beaman ^{[ 13 ]} fundador de DTM Corporation [DTM RapidTool en la imagen] proporciona una perspectiva histórica:

Las raíces de la tecnología de prototipado rápido se remontan a prácticas de topografía y fotoescultura. Dentro de la TOPOGRAFÍA, Blanther (1892) propuso un método de capas para crear un molde para mapas topográficos en relieve de papel. El proceso consistía en cortar las líneas de contorno en una serie de placas que luego se apilaban. Matsubara (1974), de Mitsubishi, propuso un proceso topográfico con una resina fotopolimérica fotoendurecible para formar capas delgadas apiladas y crear un molde de fundición. La FOTOESCULTURA fue una técnica del siglo XIX para crear réplicas tridimensionales exactas de objetos. El ejemplo más famoso es el de François Willème (1860), quien colocó 24 cámaras en una disposición circular y fotografió simultáneamente un objeto. La silueta de cada fotografía se utilizó para esculpir una réplica. Morioka (1935, 1944) desarrolló un proceso híbrido de fotoescultura y topografía utilizando luz estructurada para crear fotográficamente las líneas de contorno de un objeto. Estas líneas podían luego imprimirse en láminas, cortarse y apilarse, o proyectarse sobre material base para su posterior tallado. El proceso Munz (1956) reproducía una imagen tridimensional de un objeto mediante la exposición selectiva, capa a capa, de una emulsión fotográfica sobre un pistón descendente. Tras el fijado , un cilindro sólido transparente contenía la imagen del objeto.

"Los orígenes del prototipado rápido (RP) se remontan a la creciente industria del diseño asistido por ordenador (CAD), más concretamente, al modelado sólido. Antes de la introducción del modelado sólido a finales de la década de 1980, los modelos tridimensionales se creaban con estructuras alámbricas y superficies. Pero no fue hasta el desarrollo del verdadero modelado sólido que se pudieron desarrollar procesos innovadores como el RP. Charles Hull, cofundador de 3D Systems en 1986, desarrolló el primer proceso de RP. Este proceso, denominado estereolitografía, construye objetos curando finas capas consecutivas de ciertas resinas líquidas sensibles a la luz ultravioleta con un láser de baja potencia. Con la introducción del RP, los modelos sólidos de CAD pudieron cobrar vida repentinamente". ^{[ 15 ]}

Las tecnologías conocidas como Fabricación de Forma Libre Sólida son las que hoy conocemos como prototipado rápido, impresión 3D o fabricación aditiva : Swainson (1977) y Schwerzel (1984) trabajaron en la polimerización de un polímero fotosensible en la intersección de dos haces láser controlados por ordenador . Ciraud (1972) consideró la deposición magnetostática o electrostática con haz de electrones , láser o plasma para el revestimiento de superficies sinterizadas. Todas estas propuestas se plantearon, pero se desconoce si se construyeron máquinas funcionales. Hideo Kodama, del Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya, fue el primero en publicar un informe sobre un modelo sólido fabricado mediante un sistema de prototipado rápido de fotopolímeros (1981). ^{[ 2 ]} El primer sistema de prototipado rápido 3D basado en modelado por deposición fundida (FDM) fue fabricado en abril de 1992 por Stratasys, pero la patente no se emitió hasta el 9 de junio de 1992. Sanders Prototype, Inc. presentó la primera impresora 3D de inyección de tinta de escritorio (3DP) utilizando una invención del 4 de agosto de 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro a finales de 1993 y luego la impresora 3D industrial más grande, Modelmaker 2, en 1997. ^{[ 16 ]} Z-Corp utilizando el aglutinante de polvo 3DP del MIT para fundición directa de cáscara (DSP) inventado en 1993 fue introducido en el mercado en 1995. ^{[ 17 ]} Incluso en esa fecha temprana, la tecnología se consideraba que tenía un lugar en la práctica de fabricación. Una salida de baja resolución y baja resistencia tenía valor en la verificación de diseño, fabricación de moldes, plantillas de producción y otras áreas. Las salidas han avanzado constantemente hacia usos de especificación más alta. ^{[ 18 ]} Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) comenzó como un fabricante de impresión 3D de prototipado rápido con la Modelmaker 6Pro para hacer patrones termoplásticos de sacrificio de modelos CAD que utiliza tecnología de inyección de tinta de boquilla única Drop-On-Demand (DOD). ^{[ 17 ]}

La investigación en prototipado rápido (RP) se centra en aumentar las velocidades de producción y adaptar la tecnología para aplicaciones de fabricación en masa. ^{[ 19 ]} Al igual que con las tecnologías de control numérico computarizado (CNC), el desarrollo de software de código abierto ha creado una cadena de herramientas CAD - CAM integral . Esto ha apoyado a una comunidad de fabricantes que producen dispositivos de baja resolución. El uso por parte de aficionados también se ha extendido para incluir diseños láser más complejos. ^{[ 20 ]}

La primera lista de procesos o tecnologías de fabricación de RP publicada en 1993 fue escrita por Marshall Burns y explica cada proceso con gran detalle. También menciona algunas tecnologías que fueron precursoras de las que aparecen en la lista a continuación. Por ejemplo: Visual Impact Corporation solo produjo una impresora prototipo para la deposición de cera y luego cedió la patente a Sanders Prototype, Inc. BPM utilizó las mismas impresoras de inyección de tinta y materiales. ^{[ 21 ]}

Acelera el proceso de diseño de cualquier producto, ya que permite tanto el prototipado de baja fidelidad como el de alta fidelidad ^{[ 22 ]} , para prever los ajustes necesarios antes de la línea de producción final. Como resultado, también reduce los costos de producción para el desarrollo general del producto ^{[ 22 ]} y permite realizar pruebas de funcionalidad a una fracción del costo habitual. Elimina el riesgo de que el equipo de diseño sufra lesiones y que el prototipo se dañe durante el proceso de modelado. También permite que los usuarios o grupos focales participen en el proceso de diseño a través de interacciones con cada uno de los prototipos, desde el prototipo inicial hasta el modelo final. Por ejemplo: proceso de fabricación rápida de herramientas basado en prototipos mecanizados por CNC, lo que reduce el costo de fabricación del molde, acorta el ciclo de fabricación del molde, facilita la promoción de la aplicación de la realización del flujo del proceso de fabricación del molde y otras ventajas. Además, es una forma ideal de probar la ergonomía ^{[ 23 ]} y la antropometría ( factores humanos ) para que el producto diseñado sea capaz de satisfacer las necesidades del usuario y ofrezca una experiencia de uso única.

Aunque el prototipado rápido ofrece varios beneficios, algunos de sus aspectos negativos son la posible falta de precisión ^{[ 23 ]} , ya que no garantiza una alta calidad del prototipo ni un buen ajuste de los componentes debido a la variabilidad de las dimensiones del modelo 3D. Además, el coste inicial de esta técnica de producción puede ser elevado debido a la tecnología ^{[ 23 ]} empleada. Puede limitar la gama de materiales ^{[ 23 ]} con los que se puede fabricar el producto y, dependiendo de la complejidad del diseño, puede requerir mano de obra especializada .

• Wright, Paul Kenneth (2001). Fabricación del siglo XXI . Nueva Jersey: Prentice Hall . ISBN 978-0130956019. OCLC 43836655 – vía Archive.org .