Introducción
En los últimos años ha surgido una nueva familia de máquinas altamente innovadoras que permite, con tecnologías y materiales diferentes, obtener un prototipo de un modelo o de un molde, de manera precisa y rápida a partir del modelo sólido generado en el sistema CAD-3D. Tales máquinas conocidas como máquinas de Prototipado Rápido, permiten obtener piezas físicas acabadas de modo automático, de cualquier forma y en dimensiones finales, con complejidad y detalles que no permitirían su obtención en máquinas convencionales, o que harían su ejecución larga y compleja en centros de fabricación con control CNC. De esta forma tales máquinas posibilitan una mayor velocidad y menor costo en la obtención de prototipos comparados con los procesos tradicionales de fabricación. Más allá de esto, en ciertos casos estas técnicas permiten la obtención de matrices capaces de producir una cantidad limitada de piezas, ideal para el uso en la producción de lotes pilotos. Tal tecnología posibilita que las empresas puedan desarrollar productos más rápidamente (menor time to market) y con menor costo, y, principalmente con un incremento de calidad por medio de una mejor evaluación del proyecto. Lleva también una disminución de dudas y de riesgos.
En los últimos años ha surgido una nueva familia de máquinas altamente innovadoras que permite, con tecnologías y materiales diferentes, obtener un prototipo de un modelo o de un molde, de manera precisa y rápida a partir del modelo sólido generado en el sistema CAD-3D. Tales máquinas conocidas como máquinas de Prototipado Rápido, permiten obtener piezas físicas acabadas de modo automático, de cualquier forma y en dimensiones finales, con complejidad y detalles que no permitirían su obtención en máquinas convencionales, o que harían su ejecución larga y compleja en centros de fabricación con control CNC. De esta forma tales máquinas posibilitan una mayor velocidad y menor costo en la obtención de prototipos comparados con los procesos tradicionales de fabricación. Más allá de esto, en ciertos casos estas técnicas permiten la obtención de matrices capaces de producir una cantidad limitada de piezas, ideal para el uso en la producción de lotes pilotos. Tal tecnología posibilita que las empresas puedan desarrollar productos más rápidamente (menor time to market) y con menor costo, y, principalmente con un incremento de calidad por medio de una mejor evaluación del proyecto. Lleva también una disminución de dudas y de riesgos.
Concepto
El Prototipado Rápido es una tecnología que posibilita producir modelos y prototipos directamente a partir del modelo sólido 3D generado en el sistema CAD. Al contrario de los procesos de fabricación que sacan material de la pieza en bruto para obtener el modelo deseado, los sistemas de Prototipado Rápido generan la pieza a partir de la unión aditiva de líquidos, capa por capa, a partir de secciones transversales de la pieza obtenidas a partir del modelo 3D, las máquinas de Prototipado Rápido producen piezas en plásticos, madera, cerámica o metales. Los datos para las máquinas de Prototipazo Rápido son generados por los sistemas CAD en formato STL, que aproxima el modelo sólido por pequeños triángulos o facetas. Cuanto más pequeños sean estés triángulos, mejor la aproximación de la superficie, al coste, naturalmente, del mayor tamaño del archivo STL, y de tiempo de procesamiento. Una vez que el archivo STL es generado, las demás operaciones son ejecutadas por el propio programa que acompaña a las máquinas de Prototipado Rápido. Básicamente este programa realizara operaciones básicas de visualización y la generación de secciones transversales del modelo que será construido. Tales datos serán entonces transmitidos a la máquina que ira depositando sucesivas capas hasta que la pieza sea generada.
História
Los Sistemas de Prototipaje Rápido surgen inicialmente en 1987 con el proceso de estereolitografia (StereoLithography - SL) de la empresa norteamericana 3D Systems, proceso que solidifica capas (layers) de resina foto sensible por medio de láser. El sistema SLA-1, el primer sistema de prototipaje disponible comercialmente, fue un precursor de la máquina SLA-1, bastante popular en la actualidad. Después de que la empresa 3D Systems comenzase la comercialización de máquinas SL en EE.UU., las empresas japonesas NTT y Sony/D-MEC comenzaron a comercializar sus versiones de máquinas de estereolitografia en 1988 y 1989, respectivamente. Enseguida, en 1990, la empresa Eletro Optical Systems – EOS en Alemania, comenzó a comercializar el sistema conocido como Stereos.
A continuación vendrán las tecnologías conocidas como Fused Deposition Modeling (FDM) de la empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) de la israelí Cubital e Laminated Object Manufacturing (LOM), todas en 1991. La tecnología FDM hace una extrusión de filamentos de materiales termoplásticos capa por capa, semejante a la estereolitografia, solo que utilizando un cabezal de fusión del material en vez de un cabezal láser. SGC también trabaja con resina foto sensible a rayos UV, solo que solidifica cada capa en una única operación a partir de la utilización de mascaras creadas con tinta electrostática en una placa de vidrio. LOM solidifica y corta hojas de papel (actualmente hojas de termoplásticos reforzados con fibras) usando un láser controlado por ordenador.
Los sistemas de sinterización (Selective Laser Sintering - SLS) de la empresa americana DTM y el sistema Soliform de estereolitografia de la japonesa Teijin Seiki, se hicieron posibles en 1992. Usando calor generado por el laser, SLS funde polvos metálicos y puede ser utilizado para la obtención directa de matrices de inyección.
En 1993, la americana Soligen comercializo el producto conocido por Direct Shell Production Casting (DSPC), que utiliza un mecanismo de inyección de tinta para depositar líquido emulsionante en polvos cerámicos para producir cascas que a su vez pueden ser utilizadas en la producción de moldes y piezas inyectadas en Al, proceso desarrollado y patentado por el MIT (Massachussets Institute of Technology).
En 1994 muchas otras tecnologías y sistemas surgirán:
ModelMaker de la empresa americana Sanders Prototype, usando sistema de inyección de cera ( ink-jet wax)
Solid Center de la empresa japonesa Kira Corp., utilizando un sistema láser guiado y un plotter XY para la producción de moldes y prototipos por laminación de papel.
Sistema de estereolitografia de la empresa Fockele & Schwarze (Alemania)
Sistema EOSINT, de la empresa alemana EOS, basado en sinterización.
Sistema de estereolitografia de la empresa japonesa Ushio.
El sistema Personal Modeler 2100 de la empresa BPM Technology (EUA) fue vendido comercialmente a partir de 1996 (BPM significa Ballistic Particle Manufacturing). La máquina produce piezas a partir de un cabezal de inyección de cera. En el mismo año la empresa (EE.UU.) comenzo a comercializar el sistema SOMOS en estereolitografia de la multinacional DuPont, y la empresa Stratasys (EUA) lanzó su producto Genisys, basado en extrusión , similar al proceso de FDM, utilizando el sistema de prototipaje desarrollado en el Centro de Desarrollo IBM (IBM´s Watson Research Center). En el mismo año, después de 8 años comercializando productos en estereolitografia la empresa 3D Systems comercializo por primera vez su sistema Actua 2100, sistema basado en impresión de chorro de tinta 3D. El sistema deposita materiales en cera capa por capa a través de 96 inyectores. En el mismo año Z Corp. (EE.UU.) lanzó el sistema Z402 3D para prototipaje basado en la deposición de polvos metálicos en 3D. Otras tecnologías y empresas aparecerán y desaparecerán durante los años. Compañías como Light Sculpting (EE.UU.), Sparx AB (Suecia) y Láser 3D (Francia) desarrollaran e implementaran sistemas de prototipaje, pero no tuvieron impacto industrial.
Aplicaciones
Básicamente las técnicas de Prototipaje Rápido, tienen como objetivo el obtener de manera rápida y exacta una réplica tridimensional de los diseños que han sido generados mediante aplicaciones CAD en 3D.
Estos modelos físicos pueden ser únicamente estéticos y útiles en consecuencia para estudio de formas y estudio de la aceptación por el mercado potencial al que van dirigidos, o pueden cumplir con algunas o buena parte de los requerimientos mecánicos que tendría la pieza definitiva, ofreciendo en este caso la posibilidad de realizar pruebas funcionales e incluso de homologación antes de que existan ni siquiera los moldes preliminares.
La mayor o menor similitud que pudiera existir entre el modelo definitivo y el obtenido mediante las técnicas de prototipaje rápido dependerán básicamente del sistema utilizado para su generación y de limitaciones dimensionales, de complejidad y de postprocesos aplicados.
Las ventajas que ofrece la utilización sistemática de esta tecnología dentro del proceso global del lanzamiento de un nuevo producto abarca a casi todos los departamentos que, directa o indirectamente están involucrados en él. Sin ánimo de ser exhaustivos, destacaremos las siguientes ventajas:
Disponer de una herramienta de comunicación física que no ofrece ningún tipo de duda, no permitiendo en consecuencia interpretaciones distintas y/o erróneas. (En este sentido suele recordarse que: "De igual forma que una imagen vale más que mil palabras, un prototipo vale mas que mil imágenes, planos, croquis,dibujos...").
Permite realizar determinadas pruebas funcionales, de montajes e interferencias.
Facilita extraordinariamente la relación entre clientes y proveedores. Facilita, y en muchos casos estimula, la aportación de mejoras ya sea en el diseño y su funcionalidad, ya sea en el proceso productivo.
Las técnicas de prototipaje rápido pueden ser aplicadas a las mas diversas áreas tales como, automoción, aeronáutica, marketing, restauraciones, educación, paleontología y arquitectura.
