Avances y perspectivas de aplicación del prototipado rápido

El prototipado rápido (RPM) es una tecnología basada en el principio de apilamiento capa a capa. Mediante la superposición de capas en el modelo 3D, puntos, líneas y superficies discretas se apilan gradualmente para formar las piezas requeridas. En comparación con los métodos de fabricación tradicionales, el RPM no requiere herramientas especiales, el proceso de fabricación es más sencillo y la velocidad es mucho mayor; también se conoce como «fabricación de forma libre».

Dado que esta tecnología es varias veces o incluso decenas de veces más rápida que los métodos tradicionales, se ha convertido en la tecnología central del prototipado rápido. El RPM ha cambiado la forma tradicional de hacer modelos sólidos y ha acelerado enormemente el desarrollo y la actualización de productos.

La tecnología RPM involucra muchos campos técnicos, como CAD, procesamiento de datos, control numérico, detección de pruebas, láser y otras tecnologías mecánicas y electrónicas, tecnología de materiales y tecnología de software informático. Es la integración orgánica y la aplicación cruzada de varias tecnologías de alta tecnología.

La tecnología RPM tiene buenas perspectivas de aplicación y valor práctico. Los departamentos gubernamentales, empresas, colegios y universidades e instituciones de investigación de los principales países industriales avanzados del mundo han invertido mucho en el desarrollo y la investigación de la tecnología RPM. Algunos colegios y universidades e instituciones de investigación científica también están realizando investigaciones y desarrollo de la tecnología RPM y han logrado resultados gratificantes, y se han aplicado con éxito a la fabricación de moldes.

Principales métodos y principios de la tecnología RPM

El proceso de implementación específico de la tecnología RPM es diverso. Generalmente, de acuerdo con los diferentes materiales de formación utilizados y los métodos de tratamiento de los materiales, se pueden resumir en los siguientes métodos, que se presentan a continuación:

1. Método de curado selectivo de líquidos

El método de curado selectivo de líquidos consiste en enfocar el láser sobre la superficie de un material fotocurable líquido (como una resina fotocurable ) para curarlo según una regla preestablecida, primero de punto a línea y luego a la superficie, completando así la construcción de una capa. A continuación, se desplaza la plataforma elevadora a una distancia del espesor de la capa y se vuelve a cubrir con material líquido para construir otra capa. De esta forma, las capas se superponen hasta formar finalmente una entidad tridimensional. Los procesos típicos de este método incluyen la estereolitografía (SL, como se muestra en la Figura 1), el curado por litografía láser con pulido sólido (SGC, por sus siglas en inglés) y la litografía láser (LS, por sus siglas en inglés).

Fig. 1. Diagrama esquemático del proceso SL (estereolitografía)

2. Método de adición de capas

El método de adición de capas utiliza un láser o una herramienta para cortar el material laminado para obtener una capa del modelo. En concreto, primero se cortan el borde del proceso y el contorno del borde del prototipo y, a continuación, se corta el material que no pertenece al prototipo en una cuadrícula. Al mover continuamente la plataforma elevadora y dar el material laminado, se pueden cortar nuevas capas y unirlas a las capas anteriores. De esta forma, se puede formar un modelo sólido tridimensional apilando capas.

Finalmente, se eliminan los pequeños trozos de la rejilla de material que no pertenecen al prototipo para obtener el modelo sólido tridimensional requerido. Existen muchos tipos de materiales laminados que se utilizan en el método de adición de capas, como papel recubierto (papel recubierto con una capa adhesiva) recubierto con cerámica, láminas metálicas u otras láminas a base de materiales. El proceso típico para la adición de capas es la fabricación de sólidos en capas (LOM, fabricación de objetos laminados), como se muestra en la Figura 2.

Fig. 2. Diagrama esquemático del proceso LOM (Layered Entity Manufacturing)

3. Método de unión/sinterización selectiva de polvos

El método de sinterización/unión selectiva de polvos utiliza un polvo especial para formar capas con una densidad y planitud específicas. El polvo se funde o se une selectivamente para crear una capa integral. Luego, se esparce polvo nuevo sobre la capa formada, se compacta y se sinteriza o se une para formar la siguiente capa, fusionándose con la anterior. Este proceso continúa capa por capa para crear un objeto 3D.

Los materiales en polvo incluyen opciones no metálicas como cera, policarbonato y arena lavada, así como polvos metálicos como hierro, cobalto, cromo y sus aleaciones. Los procesos típicos incluyen la sinterización selectiva por láser (SLS) y la impresión 3D (3DP), como se muestra en las figuras 3 y 4.

Fig. 3. Diagrama esquemático del proceso SLS (Sinterización selectiva por láser)

Fig. 4. Diagrama del principio del proceso de impresión 3D (impresión tridimensional)

4. Método de moldeo por extrusión por fusión

El método de moldeo por extrusión de material fundido consiste en fundir el material termofusible mediante calor, luego extruirlo y rociarlo para acumular una capa de formación y luego formar la siguiente capa de la misma manera y fusionarla con la capa anterior. De esta manera, finalmente se forma un modelo sólido tridimensional apilando capas. Los materiales termofusibles incluyen ABS, cera de nailon, etc. El proceso típico de moldeo por extrusión de material fundido es el modelado por deposición fundida (FDM, por sus siglas en inglés), como se muestra en la Figura 5.

Fig. 5. Diagrama esquemático del método de moldeo por extrusión de material fundido (FDM)

5. Método de impresión por inyección de tinta

La impresión por inyección de tinta consiste en fundir el material sólido y luego aplicar el principio de impresión por inyección de tinta para pulverizarlo de manera ordenada, apilando una capa tras otra para formar una entidad tridimensional. El proceso típico de impresión por inyección de tinta es la impresión por inyección de tinta, como se muestra en la Figura 6.

Fig. 6. Principio de impresión por inyección de tinta

6. Procesamiento digital de la luz

El procesamiento de luz digital (DLP) se utiliza principalmente para la impresión 3D de resinas fotocurables. Su principio de funcionamiento es proyectar la imagen 2D generada cortando el modelo 3D capa por capa sobre la resina fotosensible a través de un proyector digital. La resina se cura rápidamente bajo la luz para formar una estructura sólida. Durante el proceso de impresión, la plataforma de impresión se sumerge en el baño de resina. Después de completar cada capa de curado, la plataforma se levanta ligeramente y se cubre nuevamente con una nueva capa de resina. El curado se repite hasta que se completa el modelo, como se muestra en la Figura 7.

Fig. 7. Esquema de procesamiento de luz digital

Tabla 1. Tabla comparativa de cinco métodos de prototipado rápido

La tendencia de desarrollo de la tecnología RPM

La tecnología RPM tiene una gran importancia en la industria manufacturera. Este modelo de fabricación se ha desarrollado rápidamente desde su inicio. La tecnología RPM ha experimentado cambios y mejoras fundamentales en los objetivos de fabricación, las capacidades de fabricación y las tecnologías de fabricación en comparación con el pasado. Las perspectivas de desarrollo de esta tecnología son muy prometedoras y la tecnología en sí seguirá mejorando.

1. Los objetivos de fabricación se desarrollan de forma relativamente independiente.

Desde una perspectiva de fabricación, la tecnología RPM admite la producción rápida de prototipos conceptuales, prototipos de pruebas funcionales, moldes y piezas.

Los prototipos de diseño conceptual se moldean rápidamente, utilizan equipos pequeños, funcionan de manera confiable y tienen poco ruido. Algunos ejemplos incluyen los sistemas 3DSYSTEM Actua2100 y EOS DESKTOP200.

Los prototipos de prueba funcionales deben cumplir con los requisitos de resistencia, rigidez, temperatura, resistencia a la corrosión y precisión, lo que exige la investigación de materiales especiales.

Los prototipos de modelos rápidos requieren materiales específicos y afectan los modos de fabricación, como QuickCast de 3DSYSTEM.

La tecnología RPM también se utiliza ampliamente para la fabricación de moldes, como moldes de inyección al vacío, de cera perdida, de fundición en arena y de espuma perdida.

Las piezas rápidas y funcionales siguen siendo un desafío clave y un foco de investigación en RPM.

Fig. 8. Molde de fundición a la cera perdida

Fig. 9. Molde de fundición en arena

Tanto la fabricación rápida de conceptos como la fabricación rápida de herramientas tienen una enorme viabilidad técnica y de mercado y se convertirán en el foco de la investigación y la comercialización.

Debido a las grandes diferencias en sus características, ambos tenderán a desarrollarse de forma relativamente independiente.

Las pruebas rápidas tienen un uso limitado y características poco claras, por lo que no se desarrollarán como una dirección independiente. Seguirán siendo parte del concepto de fabricación rápida.

La fabricación rápida de piezas funcionales será una dirección clave para el desarrollo de la tecnología RPM. Sin embargo, es compleja y probablemente permanecerá en la fase de investigación durante mucho tiempo.

Fig. 10. Relación y diferencia

2. Fabricación a gran escala y microfabricación

2.1 Crecimiento de la fabricación de prototipos

El análisis de las líneas de productos de las principales empresas muestra que los tamaños de los prototipos están aumentando. Debido a los desafíos que presenta la producción de moldes de gran tamaño y a las ventajas de RPM en la fabricación de moldes, es probable que una parte importante del mercado de RPM se desplace hacia la fabricación de prototipos de gran tamaño en el futuro.

2.2 Aplicaciones en la industria automotriz

El rápido desarrollo de la industria automotriz ha incrementado el uso de prototipos rápidos a gran escala. Esta tecnología se utiliza principalmente para la fabricación de moldes para automóviles, que requieren alta velocidad y precisión.

A medida que aumenta la rotación de modelos de vehículos, crece la demanda de moldes para cubiertas de automóviles más rápidos y precisos. La tecnología de fabricación rápida a gran escala satisface perfectamente estas necesidades.

2.3Microfabricación con RPM

Por el contrario, RPM también ha entrado en la microfabricación. Un área clave es la microlitografía, en particular en la tecnología SL, que produce piezas de tamaño micrométrico. El diámetro del punto láser puede alcanzar los 5 μm y el prototipo permanece estacionario durante el proceso.

El haz láser se enfoca con precisión en el prototipo a través de una placa transparente. La precisión del tope de escaneo XY es de 0.25 μm y la precisión del tope Z es de 1 μm. Esta tecnología puede producir piezas tan pequeñas como 5 μm x 5 μm x 3 μm, como válvulas venosas y componentes de circuitos integrados.

2.4 El auge de los sistemas de fabricación de escritorio

Los sistemas de fabricación de escritorio están ganando popularidad en el desarrollo de productos RPM. Se utilizan cada vez más como periféricos para sistemas CAD para generar gráficos en 3D.

Los sistemas RPM deben ser compactos y eficientes, lo que les permite operar en entornos de oficina sin interrumpir los flujos de trabajo CAD.

Los sistemas RPM comerciales suelen ser grandes y requieren condiciones ambientales específicas y operadores especializados. Por el contrario, los sistemas de escritorio son compactos, fáciles de operar y mantener, generan menos ruido y contaminación y tienen menos requisitos ambientales.

Si bien ofrecen velocidades de producción más rápidas, tienen una precisión ligeramente inferior. Empresas como Stratasys y SandersPrototype en los EE. UU. han lanzado sistemas de escritorio asequibles, como Genisys3DPrinter y ModelMaker. Estos sistemas han ganado terreno en el mercado rápidamente, lo que resalta el enorme potencial de la fabricación de escritorio.

Fig. 11. Diagrama de distribución de la tecnología RPM

3. Esforzarse por alcanzar la excelencia en la tecnología de fabricación.

La estrategia de las empresas de prototipado rápido (RPM) no es solo lanzar nuevos modelos, sino también mejorar continuamente los procesos, equipos, materiales, software y sistemas electromecánicos existentes. Su objetivo es lograr una mayor velocidad de producción, mayor precisión y mayor confiabilidad, o encontrar un equilibrio entre estos objetivos. Esta tendencia continuará.

La tecnología de fabricación moderna se está desarrollando en una dirección altamente integrada. Combina CAD (diseño asistido por computadora), procesamiento de datos, control numérico, detección de pruebas, láser y otras tecnologías mecánicas y electrónicas, así como tecnologías de materiales y software para formar una nueva forma de fabricación.
Al mismo tiempo, la fabricación moderna se vuelve cada vez más flexible. La mayor ventaja de la tecnología RPM es su alta flexibilidad y ya no depende de herramientas especiales.

Bajo control y gestión informática, RPM puede fabricar piezas de cualquier forma compleja. Integra equipos de producción programables, reconfigurables y de variación continua con gestión de información en un solo sistema, por lo que el coste de producción es independiente del lote de producción. Cuando cambia la forma, los requisitos o el volumen de producción de una pieza, no es necesario rediseñar ni fabricar herramientas. Basta con modificar el modelo CAD y ajustar los parámetros para producir una nueva pieza.

Fig. 12. La integración de diversas tecnologías

4. Instalación de periféricos y funcionamiento inteligente

La tecnología RPM está evolucionando hacia la “controlación directa de modelos CAD para fabricar rápidamente modelos 3D complejos”. Algunos equipos RPM en los EE. UU. se están volviendo más simples y fáciles de usar, como los periféricos de computadora. En el futuro, estos sistemas serán fáciles de instalar y operar, lo que permitirá a los usuarios comunes comenzar a trabajar sin técnicos especializados. Las operaciones también se volverán más inteligentes.

En la actualidad, la fabricación mediante RPM implica muchas decisiones complejas, como el diseño de la estructura de soporte, la selección del método de escaneado, la disposición de las piezas, la segmentación de piezas grandes y la configuración de los parámetros del proceso. Estas tareas suelen requerir profesionales. Sin embargo, con los avances en inteligencia artificial y una comprensión más profunda de la tecnología RPM, la inteligencia de los equipos RPM pronto permitirá a los usuarios cotidianos operarlos con facilidad.

5. Estandarización de la industria RPM e integración con el sistema de fabricación de productos

5.1 Falta de estándares en la industria

Se han desarrollado de forma independiente diversos métodos de proceso de RPM, lo que ha dado lugar a una falta de normas uniformes. Este es un aspecto inevitable del desarrollo de nuevas tecnologías. De hecho, la ausencia de normas ha impulsado el crecimiento y la innovación de RPM.

Sin embargo, a medida que el RPM se convierte en una industria en toda regla, es esencial establecer estándares razonables. Sin ellos, la promoción y aplicación del RPM podría verse obstaculizada. Actualmente, el estándar de facto en la industria del RPM es el formato de archivo STL para el intercambio de datos de productos.

Sin embargo, muchos también utilizan otros tipos de archivos, como CLI, HPGL y DXF, lo que hace que la estandarización sea un tema importante. Además, es probable que la estandarización de los modelos de materiales y equipos siga avanzando.

5.2 Ejemplos del mundo real del impacto de las RPM

Según el Informe de Prototipado Rápido (1996, número 11), Whirlpool utilizó con éxito equipos FDM para obtener un diseño rápido y con retroalimentación para la unidad de iluminación del compartimento refrigerado de un refrigerador. Gracias a la tecnología FDM, Whirlpool redujo el tiempo entre el rediseño y la fabricación del molde en aproximadamente un año, realizando cinco veces más revisiones del diseño que con los métodos manuales. Este rediseño le ahorró a la empresa unos 650 000 dólares.

De manera similar, una empresa estadounidense de diseño de palos de golf, que anteriormente utilizaba latón para fabricar modelos, descubrió que el proceso requería mucho tiempo y solo produjo tres iteraciones de diseño. Al adoptar una máquina LOM-1015 RPM, produjeron 90 modelos en un año. Esto permitió iteraciones de diseño más rápidas a un menor costo, lo que mejoró la eficiencia en la toma de decisiones.

5.3 Integración de RPM con sistemas de fabricación de productos

La relación entre RPM y el sistema de fabricación de productos en general es crucial. Las preguntas clave incluyen: cómo describir los datos de RPM en el modelo STEP y cómo integrar RPM en sistemas de desarrollo rápido de productos.

Estos desafíos involucran dos aspectos centrales:

(1) Representación e integración de datos

Desarrollar formas estandarizadas de representar datos RPM en sistemas como STEP.

(2) El papel de RPM en el desarrollo rápido

Comprender cómo la tecnología RPM encaja y mejora el proceso de desarrollo rápido de productos.

5.4 Cómo describir los datos de RPM en el modelo STEP

(1) Descripción de datos geométricos

Datos del modelo 3D: Los datos básicos que utiliza RPM suelen ser un modelo 3D que describe la forma y la estructura del producto. El formato STEP permite almacenar información geométrica completa y admite la impresión 3D de RPM.
Datos de características: El modelo STEP puede guardar las características en el diseño (como agujeros, ranuras, etc.), lo que ayuda al proceso de procesamiento de la tecnología RPM.

(2) Información material

Las propiedades del material de fabricación se pueden describir en el archivo STEP. La información del material (como la densidad, el punto de fusión, la dureza, etc.) afecta directamente el método de proceso seleccionado en el proceso RPM (como la sinterización por láser o la extrusión por fusión).

(3) Parámetros del proceso

Datos del proceso de fabricación: La escalabilidad de STEP permite el almacenamiento de datos del proceso relacionados con el proceso RPM, como el espesor de la capa, la velocidad de impresión, la potencia del láser, etc., lo cual es muy importante en la ejecución del proceso de fabricación.

(4) Información de montaje

El ensamblaje de varias piezas de RPM se puede gestionar a través de los datos del modelo STEP. STEP admite la descripción completa de la estructura jerárquica del ensamblaje, lo que facilita la simulación y el ajuste en el proceso de producción de piezas complejas.

(5) Comprobación de capacidad de fabricación

Durante la fase de diseño, STEP puede incluir datos de análisis relacionados con la capacidad de fabricación para garantizar que las piezas diseñadas sean adecuadas para la fabricación a través del proceso RPM.

5.5 Cómo desarrollar y aplicar RPM en un sistema de desarrollo rápido de productos

(1) Acortar el ciclo de verificación del diseño

La tecnología RPM permite a las empresas generar prototipos físicos en unos días o incluso horas. Los equipos de diseño de productos pueden probar, verificar y modificar rápidamente los diseños, acortando enormemente el ciclo de verificación tradicional.

(2) Ingeniería concurrente

Al integrarse con los modelos de datos STEP y los sistemas CAD, RPM puede realizar múltiples iteraciones de diseño en paralelo en las primeras etapas del desarrollo, evitando el proceso de desarrollo lineal tradicional. Esto permite que las diferentes etapas del desarrollo del producto se realicen simultáneamente, acelerando aún más el lanzamiento del producto.

(3) Pruebas de prototipos y verificación funcional

En el sistema de desarrollo rápido de productos, RPM puede producir prototipos funcionales, no solo modelos de apariencia. Esto significa que el producto puede pasar pruebas funcionales reales antes de entrar en producción en masa, lo que reduce el riesgo de defectos de diseño.

(4) Fabricación ágil y producción en lotes pequeños

La tecnología RPM también permite la producción en lotes pequeños para pruebas de mercado y personalización personalizada, lo que resulta especialmente adecuado para la promoción inicial de productos innovadores. En un entorno de fabricación ágil, RPM permite a las empresas ajustar rápidamente los diseños de los productos en función de los comentarios del mercado.

(5) Diseño colaborativo y cooperación entre equipos

En el sistema de desarrollo moderno, la combinación del modelo STEP y RPM facilita el diseño colaborativo global. Los diseñadores, ingenieros y equipos de fabricación pueden compartir datos y actualizar el progreso del diseño en tiempo real, optimizando así el proceso de producción y reduciendo la tasa de errores.

(6) Rentabilidad

Al reducir los eslabones intermedios, como la modificación del diseño, la fabricación de herramientas y la producción de moldes, RPM hace que el proceso de desarrollo sea más económico, especialmente en la etapa inicial de desarrollo.

Conclusión

Con el avance continuo de la tecnología de creación rápida de prototipos, esta se ha convertido en una parte indispensable de la fabricación moderna. Desde el diseño hasta la producción, esta tecnología ha aportado enormes mejoras de eficiencia a todos los ámbitos de la vida.

Los diferentes métodos técnicos de RPM brindan diversas opciones para diferentes necesidades y áreas de aplicación, lo que promueve el desarrollo de la fabricación de moldes y otras industrias relacionadas. De cara al futuro, la tecnología de prototipado rápido seguirá desarrollándose en la dirección de una mayor precisión, mayor escala y aplicación más amplia, lo que ayudará a la industria manufacturera a marcar el comienzo de una era más inteligente y flexible.