Cómo la tecnología de prototipado rápido promueve la reforma y el desarrollo de la industria manufacturera

Desde la década de 1980, el prototipado rápido (PR) ha experimentado avances en sistemas y materiales, impulsando el desarrollo de tecnologías de utillaje rápido (TR) y fabricación rápida (FR). El PR ha acortado los ciclos de diseño y fabricación de productos, mejorado la productividad inicial y reducido los costos de desarrollo, transformando así la industria manufacturera. Combina tecnologías informáticas, de control numérico computarizado (CNC), láser y de materiales.

El desarrollo y la situación actual de la tecnología de prototipado rápido

El prototipado rápido (PR) se refiere al proceso de crear rápidamente modelos físicos a partir de diseños digitales, generalmente utilizando software de diseño asistido por computadora ( CAD ) y tecnologías de fabricación aditiva. Al construir objetos capa por capa, el PR acelera el desarrollo de productos, reduce costos y fomenta la innovación en diversas industrias.

1. Los orígenes y el desarrollo temprano

El concepto de fabricación por capas se remonta a la década de 1980. En 1981, el investigador japonés Hideo Kodama propuso por primera vez la idea de la impresión 3D mediante tecnología de fotocurado para construir objetos capa por capa. Sin embargo, fue el inventor estadounidense Charles W. Hull quien hizo realidad este concepto. En 1986, Hull desarrolló la primera tecnología de estereolitografía (SLA), un proceso que permitía la creación de objetos tridimensionales mediante la solidificación de resina líquida con luz ultravioleta. La invención de Hull sentó las bases de la impresión 3D moderna y la creación rápida de prototipos.

En 1988, Hull fundó 3D Systems y lanzó la primera impresora 3D disponible comercialmente, lo que abrió nuevas posibilidades para la creación rápida de prototipos. Esta tecnología redujo significativamente el tiempo y los costos asociados con la creación de prototipos, lo que condujo a rápidos avances en la fabricación y el desarrollo de productos.

2. La expansión global y los avances tecnológicos

En la década de 1990, la tecnología de prototipado rápido se comercializó más ampliamente, con la aparición de varios métodos como SLA, LOM (fabricación de objetos laminados), SLS (sinterización selectiva por láser) y FDM (modelado por deposición fundida). Estas tecnologías permiten una producción más rápida y eficiente de prototipos y piezas, lo que las hace accesibles a una gama más amplia de industrias.

En China, la adopción de la tecnología de prototipado rápido comenzó a principios de los años 1990. La Universidad de Tsinghua, una institución de investigación líder, introdujo el sistema SLA-250 de 3D Systems y comenzó a realizar investigaciones y desarrollos sobre prototipado rápido. La universidad continuó desarrollando el sistema de fabricación de prototipado rápido multifuncional “M-RPMS-II”, que combina técnicas LOM y FDM.

Otras instituciones chinas siguieron su ejemplo: la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong desarrolló un sistema HRP utilizando papel para LOM, la Universidad Xi'an Jiaotong creó un sistema LPS basado en SLA y CPS, y la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing desarrolló un sistema RAP utilizando SLS.

A mediados de la década de 2000, habían surgido más de una docena de tecnologías de prototipado rápido, incluidas 3DP (impresión tridimensional), SDM (modelado por deposición selectiva) y SGC (curado sobre sustrato sólido). Sin embargo, SLA, LOM, SLM (fusión selectiva por láser) y FDM siguieron siendo los métodos más adoptados para uso industrial.

3. Aplicaciones modernas e innovaciones

A medida que la tecnología de creación rápida de prototipos ha madurado, sus aplicaciones se han expandido a diversas industrias. En 2014, Organovo utilizó la impresión 3D para crear tejidos biológicos, lo que avanzó en la investigación médica y redujo la necesidad de realizar pruebas con animales. En 2016, GE Aviation mejoró el rendimiento de la boquilla de su motor LEAP mediante la impresión 3D, lo que demuestra el potencial de la tecnología para mejorar el rendimiento de componentes aeroespaciales complejos.

En 2018, el Hospital Peking Union Medical College comenzó a utilizar la impresión 3D para crear modelos quirúrgicos personalizados, mejorando la precisión y la seguridad de los pacientes. En 2019, Geely Auto utilizó la creación rápida de prototipos para acelerar el desarrollo de vehículos, agilizando las fases de diseño y prueba de la producción de automóviles. En 2021, BGI aplicó la impresión 3D en la construcción de viviendas asequibles, lo que demuestra la capacidad de la tecnología para revolucionar la industria de la construcción.

Estos hitos reflejan el impacto diverso y transformador del prototipado rápido en todas las industrias, desde la atención médica y la industria aeroespacial hasta la automotriz y la construcción.

El principio básico de creación de prototipos de la tecnología de creación rápida de prototipos

La tecnología de prototipado rápido (RP) combina CAD 3D, ingeniería inversa, fabricación en capas (SFF), eliminación de material (MPR) y adición de material (MAP) para crear rápidamente prototipos físicos mediante la superposición de materiales basados ​​en datos CAD.

Figura 1. Flujo de trabajo del sistema de creación rápida de prototipos

Existen más de diez métodos de prototipado rápido, siendo los más comunes SLA, SLS, LOM y FDM. Estos métodos utilizan la fabricación aditiva, combinando propiedades de materiales y procesos avanzados, y están estrechamente vinculados a los avances en otros campos.

1. Estereolitografía (SLA)

La tecnología de estereolitografía (SLA) transforma mágicamente la resina líquida en delicados objetos tridimensionales. Mediante un escaneo láser preciso, la resina se solidifica en un instante, formando una estructura en capas con detalles asombrosos y superficies suaves. Cada vez que el láser escanea, es como si un artista estuviera dibujando suavemente sobre el lienzo, presentando finalmente diseños complejos y formas elegantes. Este método es actualmente el método de creación rápida de prototipos más estudiado, más maduro y más utilizado en el mundo.

Entre las empresas que investigan los métodos de SLA se incluyen 3D Systems, EOS, F&S, CMET, D-MEC, Teijin Seiki, Mitsui Zosen y la Universidad Xi'an Jiaotong. La tecnología SLA de 3D Systems domina el mercado global, con avances significativos desde el lanzamiento en 1988 del modelo SLA-250, seguido por los modelos SLA-250HR, SLA-3500 y SLA-5000 en 1997.

Los modelos SLA-3500 y SLA-5000 utilizan láseres sólidos excitados por semiconductores con velocidades de escaneo de 2.54 m/s y 5 m/s, respectivamente, y un espesor mínimo de capa de moldeo de 0.05 mm. El nuevo sistema de recubrimiento Zephyer aplica una capa de resina curada de 0.05-0.1 mm utilizando un raspador de adsorción al vacío, lo que reduce el tiempo de moldeo en un 20 %. El SLA-1999, que se lanzó en 7000, ofrece un volumen de moldeo similar al SLA-5000, pero con una velocidad de escaneo de 9.52 m/s, una velocidad de moldeo cuatro veces más rápida, un espesor mínimo de capa de 0.025 mm y el doble de precisión. Se han llevado a cabo investigaciones exhaustivas sobre el mecanismo de moldeo SLA, el control de la deformación de las piezas y la mejora de la precisión.

2. Fabricación de objetos en capas (LOM)

La fabricación por capas es una tecnología avanzada de fabricación aditiva que crea objetos tridimensionales complejos añadiendo materiales capa por capa. Este método utiliza un modelo CAD, lo divide en capas finas y las apila para formar el objeto completo.

El núcleo de esta tecnología reside en su flexibilidad y eficiencia, lo que permite crear formas complejas y estructuras internas que los métodos tradicionales no pueden lograr. La fabricación sólida en capas reduce eficazmente el desperdicio de material al agregar material solo donde es necesario.

Entre las empresas que investigan la tecnología LOM se encuentran Helisys, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, la Universidad de Tsinghua, Kira, Sparx y Kinergy. Helisys lanzó el modelo LOM-1015 en 1992 (380 mm × 250 mm × 350 mm) y el modelo LOM-2030H en 1996 (815 mm × 550 mm × 508 mm), lo que redujo el tiempo de moldeo en un 30 %. Helisys amplió las opciones de materiales y agregó variedades de plástico y compuestos a sus series de papel LPH, LPS y LPF. El modelo PLT-A4 de Kira utiliza un corte con cuchilla superduro y unión selectiva. La Universidad de Tsinghua desarrolló la serie SSM, mientras que la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong presentó la serie HRP, que ofrece un alto rendimiento a un buen precio.

3. Sinterización selectiva por láser (SLS)

Descripción general de la tecnología de sinterización selectiva por láser (SLS) y sus ventajas

La sinterización selectiva por láser (SLS) es una tecnología de fabricación aditiva en la que un láser sinteriza materiales en polvo capa por capa para formar un objeto 3D. El proceso esparce el polvo sobre la plataforma de construcción y el láser lo sinteriza según el contorno del diseño. Después de cada capa, la plataforma desciende y se esparce más polvo para continuar la sinterización hasta que se completa el modelo.

La tecnología SLS puede utilizar diversos materiales en polvo, como nailon, metal y cerámica, lo que ofrece una gran adaptabilidad. Produce piezas con buenas propiedades mecánicas y geometrías complejas, ideales para prototipos funcionales, piezas personalizadas y producción en lotes pequeños. Como no requiere una estructura de soporte, los diseñadores tienen una mayor libertad de diseño, lo que les permite explorar soluciones más innovadoras.

DTM, EOS y Beijing Longyuan están investigando el SLS. DTM lanzó Sinterstation2000, 2500 y 2500P1us en 1992, 1996 y 1999 respectivamente. El volumen de moldeo de 2500P1us es un 10% mayor que antes. Al optimizar el sistema de calentamiento, reducimos el tiempo auxiliar y mejoramos la velocidad de moldeo. Beijing Longyuan lanzó una máquina de moldeo AFS-300 y varios materiales. La Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong desarrolló la máquina de moldeo HRPS-I.

DTM lanza nuevos productos cada año, entre ellos el material Dura Form GF para una mayor precisión y superficies más lisas, el polímero elástico So-mos 201 con resistencia a la goma, al calor y a los productos químicos, y el polvo de acero inoxidable Rapid Steel 2.0 para piezas flexibles a prueba de fugas, como tuberías y juntas. Los moldes Rapid Steel 2.0 pueden producir hasta 100,000 piezas moldeadas por inyección con una tasa de contracción de tan solo el 0.20 %, lo que garantiza una alta precisión y un acabado con un pulido mínimo.

4. Modelado de deposición fundida (FDM)

El modelado por deposición fundida (FDM) es una tecnología de impresión 3D común que muchas industrias utilizan para la creación rápida de prototipos y la producción en lotes pequeños. Su principio consiste en calentar material termoplástico hasta que se funda y extruirlo capa por capa a través de una boquilla para construir un objeto 3D basado en un modelo informático.

En el modelado por deposición, la impresora calienta el alambre hasta que alcanza un estado fundido y lo deposita sobre la plataforma siguiendo una trayectoria específica. Después de que cada capa se enfría, la siguiente capa se adhiere firmemente a ella para formar una estructura estable. Este método permite lograr geometrías complejas y detalles finos con un alto uso del material.

Las principales empresas que investigan FDM son Stratasys y MedModeler. Stratasys desarrolló la primera FDM-1650 (mesa de 250 mm × 250 mm × 250 mm) en 1993 y luego lanzó FDM-2000, FDM-3000 y FDM-8000. Entre ellas, la mesa de FDM-8000 es de 457 mm × 457 mm × 610 mm. La Universidad de Tsinghua lanzó el modelo MEM. Stratasys lanzó el modelo FDM-Quantum en 1998, que presenta un volumen de modelado máximo de 600 mm × 500 mm × 600 mm, lo que lo hace particularmente llamativo.

El sistema de extrusión Magna Drive permite el control independiente de dos extrusores, lo que aumenta la velocidad de modelado cinco veces. En 1998, Stratasys se asoció con Med Modeler para desarrollar MedModeler para hospitales e instituciones de investigación que utilizan materiales ABS. En 1999, lanzaron Genisys Xs, que admite termoplásticos de poliéster y tiene un volumen de modelado de 305 mm × 203 mm × 203 mm. La Tabla 1 muestra varios procesos típicos de creación rápida de prototipos.

Tabla 1 Comparación de varios procesos típicos de prototipado rápido

 

Características de la tecnología de prototipado rápido

1.Rapidez

La tecnología de creación rápida de prototipos puede producir piezas prototipo en tan solo unas horas o en decenas de horas, mucho más rápido que los métodos tradicionales, lo que la hace ideal para el desarrollo y la gestión de nuevos productos.

2. Integración de diseño y fabricación

El CAPP atrasado siempre ha sido un obstáculo difícil para lograr la integración del diseño y la fabricación. Sin embargo, para el prototipado rápido, debido al uso de la tecnología de procesamiento de apilamiento discreto, el CAPP ya no es un punto difícil. El CAD y el CAM funcionan bien juntos.

3. Fabricación de formas libres

La libertad tiene dos significados: uno es permitir la libre formación sin herramientas especiales, acortando el tiempo de producción de prueba para nuevos productos; el otro es no estar restringido por la complejidad de la pieza.

4. Muy flexible

Puede producir modelos de piezas con diferentes formas simplemente cambiando el modelo CAD y reajustando y configurando los parámetros.

5. Extensidad de materiales

La tecnología de prototipado rápido puede producir prototipos en resina, plástico, papel, parafina, materiales compuestos, así como metal y cerámica.

6. Alto grado de integración tecnológica

La tecnología RP es una integración integral de computadoras, tecnología informática, tecnología de control numérico, datos, láseres, materiales y maquinaria. Solo con dispositivos láser avanzados y tecnología de control de potencia, el prototipado rápido puede mostrar sus características únicas en la actualidad.

7. Características de procesamiento

La tecnología de prototipado rápido rompe con el proceso tradicional de “pieza en bruto → corte → producto terminado”, permitiendo la fabricación de piezas sin herramientas mediante la superposición de capas finas. En comparación con los métodos de procesamiento de corte tradicionales, el prototipado rápido tiene las siguientes ventajas:

(1) Puede fabricar rápidamente piezas complejas con superficies de forma libre, ranuras, hombros y huecos. La complejidad de las piezas y el lote de producción tienen poco que ver con el costo de fabricación. Reduce en gran medida el costo de desarrollo y el ciclo de desarrollo de nuevos productos.

(2) Es un proceso sin contacto que elimina la necesidad de herramientas, accesorios, desgaste de herramientas y fuerza de corte.

(3) Sin vibraciones, ruidos ni desperdicios de corte;

(4) El equipo de producción puede lograr una producción totalmente automatizada durante la noche;

(5) Alta eficiencia de procesamiento, capaz de producir rápidamente modelos sólidos y moldes de productos.

Aplicación de la tecnología de fabricación de prototipos rápidos

Durante la última década, varias industrias han aplicado la tecnología RP y han demostrado su superioridad. Esta tecnología se utiliza en sectores manufactureros como la maquinaria, la automoción, la industria aeroespacial y la electrónica, así como en las industrias médica, artística y arquitectónica.

1. Fabricación rápida de moldes

El moldeo rápido (RT) que utiliza tecnología de prototipado rápido se aplica principalmente para fabricar moldes de plástico y fundición. El proceso de moldeo se puede dividir en dos métodos: moldeo indirecto y moldeo directo.

(1) Moldeo indirecto

El moldeo indirecto es un método de moldeo que combina la tecnología RP con la tecnología de moldeo tradicional para fabricar prototipos de piezas. En comparación con el mecanizado CNC, la tecnología RPM puede diseñar y fabricar varios prototipos complejos de forma más rápida y mejor. El uso de muestras de creación rápida de prototipos para la fabricación de moldes tradicionales puede reducir los costos y los ciclos a la mitad. La tecnología de moldeo indirecto ha madurado y se ha adoptado ampliamente.

(2) Moldeo directo

El moldeo directo consiste en utilizar la tecnología RPM para fabricar moldes directamente. No requiere la producción de prototipos y es un método completamente diferente a los procesos de moldeo tradicionales. El uso de este método para fabricar moldes de metal directamente es un método de fabricación de moldes rápidos más prometedor. Por ejemplo, la empresa estadounidense DTM ha desarrollado con éxito una tecnología para fabricar moldes de inyección de metal.

Esta tecnología utiliza la sinterización selectiva por láser (SLS) para sinterizar partículas de acero recubiertas de resina en un molde semiacabado, que luego se posprocesa con infiltración de cobre para crear un molde de inyección de aleación de acero y cobre. Su precisión dimensional es de ±0.12 mm/100 mm, Ra＜lμm, y su vida útil puede alcanzar las 50,000 piezas.

Tabla 2 Comparación entre moldeo indirecto y moldeo directo

 

2. Fabricar rápidamente piezas metálicas.

La combinación de la tecnología RP y la tecnología de fundición es la mejor manera de transformar prototipos de prototipado rápido en piezas de metal. Los métodos incluyen reproducir el molde con prototipos RP, copiar directamente el molde, utilizar fundición a la cera perdida o diseñar el modelo para obtener directamente la carcasa y el núcleo.

El uso del prototipo RP para obtener el patrón de revestimiento de fundición en molde perdido es un método de fundición de precisión más rápido. 3D-Systems de los Estados Unidos ha desarrollado la tecnología de fundición de precisión rápida Quickcast utilizando este método. Recubra el prototipo SLA con materiales refractarios, frese y gasifique la resina para crear una carcasa de fundición para la fundición de metal. La clave es utilizar resina fotopolimerizable con bajas emisiones de gas y combustión completa. Ford Motor Company de los Estados Unidos utiliza esta tecnología para fabricar moldes de automóviles.

3. Acelerar el desarrollo de nuevos productos

En la etapa de diseño del desarrollo de un nuevo producto, los diseñadores dependen de dibujos y simulaciones de diseño, pero carecen de prototipos, lo que dificulta la toma de decisiones rápidas. La tecnología RP puede crear prototipos 3D a partir de modelos CAD en cuestión de horas o días sin necesidad de otros métodos de procesamiento.

Los diseñadores pueden evaluar, simular y probar el prototipo en cuanto a apariencia, ensamblaje y viabilidad de producción, al mismo tiempo que obtienen rápidamente la opinión de los usuarios. De esta manera, la etapa de diseño puede resolver posibles problemas, reduciendo significativamente el costo y el tiempo del desarrollo de nuevos productos.

4. Se utiliza en medicina para hacer modelos de órganos.

Muchos países hacen hincapié en la tecnología de RP en medicina, logrando buenos resultados. Al combinar los métodos de diagnóstico de TC y RM con imágenes digitales, el sistema de RP utiliza datos de reconstrucción 3D de exploraciones corporales transversales para crear prototipos de órganos o partes del cuerpo. La lesión de la parte y la estructura de la entidad se pueden mostrar, lo que ayuda en el diagnóstico auxiliar clínico, la determinación de planes quirúrgicos complejos o la enseñanza.

5. Combinado con ingeniería inversa para formar un sistema de circuito cerrado de diseño y fabricación rápidos.

En la tecnología RP, la ingeniería inversa consiste en encontrar un modelo CAD tridimensional basado en el objeto físico existente. Para la mayoría de los productos, sus modelos tridimensionales se pueden diseñar en software CAD general. Debido a factores como la función, el proceso y la apariencia, algunas piezas tienen formas complejas, lo que dificulta el diseño de modelos sólidos en CAD. Primero creamos un modelo físico a pequeña escala y luego generamos un modelo sólido 3D midiendo y procesando los datos.

Los métodos de medición habituales en la ingeniería inversa incluyen la medición de tres coordenadas, la triangulación láser, la resonancia magnética, la tomografía computarizada, la rejilla y el escaneo intermitente automático. A través de la ingeniería inversa, los prototipos de RP también se pueden medir de forma rápida y precisa, y se pueden encontrar deficiencias en el diseño del producto. El rediseño, después de repetidas iteraciones, puede hacer que el producto sea más perfecto. La introducción de la ingeniería inversa en la tecnología de RP ha creado un sistema de circuito cerrado para un diseño, una fabricación y una prueba rápidos.

Conclusión

La tecnología de prototipado rápido es una tecnología de alta tecnología en proceso de desarrollo y mejora. La tecnología en sí y sus campos de aplicación aún necesitan mucho desarrollo e investigación. El siglo XXI será una era caracterizada por una economía del conocimiento y una sociedad de la información. La industria manufacturera se enfrenta a graves desafíos en el cambiante mercado de lotes pequeños y múltiples variedades de productos. A medida que la industria se globaliza, acortar los ciclos de desarrollo de productos y reducir los riesgos de inversión en nuevos productos son clave para la supervivencia de las empresas. Las tecnologías de prototipado rápido, moldeado y fabricación seguirán desarrollándose.