PROTOTIPOS RÁPIDOS

INTRODUCCIÓN

El Rapid Prortotyping (RP) puede ser definido como el grupo de técnicas que permiten la fabricación, de forma rápida, de un modelo a escala utilizando información suministrada por un sistema de diseño asistido por ordenador.

Se ha podido comprobar en el mercado un rápido crecimiento de dichas técnicas, tanto desde el punto de vista de la aparición de novedades como de mejoras en las mismas. Al mismo tiempo se comprueba como las empresas dedicadas al diseño y al desarrollo de producto las adoptan o demandan de forma creciente. En la Universidad de Girona hemos considerado interesante la adquisición de una máquina de prototipado rápido para mejorar la formación de los alumnos.

En algunos casos la pieza fabricada mediante RP puede ser utilizada como pieza definitiva, pero usualmente el material utilizado por las máquinas de RP no es suficientemente resistente.

PROTOTIPOS RÁPIDOS

Son tecnologías que se han adaptado de las operaciones de manufactura y ensamble convencionales o se han desarrollado de manera improvisada para cumplir las funciones o necesidades especiales de los diseñadores y fabricantes. La creación rápida de prototipos es una serie de procesos usados para fabricar un modelo, una pieza o una herramienta en el menor tiempo posible.

La creación rápida de prototipos (RP, por sus siglas en inglés) es una familia de métodos de fabricación para hacer prototipos de ingeniería en los tiempos de entrega mínimos posibles, con base en un modelo del artículo realizado en un sistema de diseño asistido por computadora (CAD). El método tradicional para fabricar el prototipo de una pieza es el maquinado, el cual puede requerir tiempos de entrega significativos, hasta de varias semanas, algunas veces más, dependiendo de la complejidad y la dificultad de la pieza en lo relativo a la recepción de los materiales. En la actualidad existen varias técnicas para la creación rápida de prototipos, las cuales permiten que una pieza se produzca en horas o días en lugar de en semanas, después de haber generado un modelo en computadora de la pieza en un sistema de CAD.

La necesidad especial que motiva la variedad de tecnologías para la creación rápida de prototipos surge porque los diseñadores de productos desearían tener un modelo físico del diseño de una pieza o producto nuevo en lugar de un modelo de computadora o un dibujo. La creación de un prototipo es un paso integral en el procedimiento de diseño. Un prototipo     virtual, que es un modelo en computadora del diseño de la pieza en un sistema de CAD, puede no resultar adecuado para que el diseñador visualice la pieza. Puede afirmarse que no es suficiente para realizar pruebas físicas reales sobre la pieza, aunque es posible ejecutar pruebas simuladas por medio del análisis de elemento finito u otros métodos. Si se usa una de las tecnologías de RP disponibles, puede crearse una pieza física sólida en un tiempo relativamente corto (horas si la compañía posee el equipo de RP o días si la fabricación de la pieza debe contratarse con una compañía externa especializada en RP). Por lo tanto, el diseñador puede examinar en forma visual y sentir físicamente la pieza y comenzar a realizar pruebas y experimentos para evaluar sus ventajas y desventajas.

Las tecnologías para la creación rápida de prototipos puede dividirse en dos categorías básicas:

1) Procesos de remoción de material

La alternativa de RP por remoción de material implica maquinado, primordialmente fresado y taladrado, y utiliza una máquina CNC (control numérico por computadora) que está disponible para el departamento de diseño cuando se requiere. Por supuesto, debe resolverse el problema de preparar el programa de la pieza en CN (control numérico) a partir del modelo de CAD. Si la configuración geométrica de la pieza puede analizarse mediante un algoritmo automático de programación de la pieza en CN, entonces hay un modo de resolver el problema. Un enfoque alternativo que se utiliza con frecuencia para la creación rápida de prototipos consiste en rebanar el modelo sólido en capas delgadas que se aproximan a la forma de la pieza sólida. Después, la máquina de fresado CNC delinea la pieza capa por capa a partir de un bloque sólido de material inicial. A menudo, el material inicial es cera, la cual puede fundirse y solidificarse para su reutilización cuando el prototipo actual ya no es necesario; además, la cera es muy fácil de maquinar. También puede usarse otros materiales iniciales, como madera, plástico o metal (por ejemplo, un grado maquinable de aluminio o latón). Casi siempre, las máquinas CNC usadas para la creación rápida de prototipos son pequeñas, y a veces se utilizan los términos fresado de escritorio o maquinado de escritorio para referirse a esta tecnología. Por lo general, el tamaño máximo de los bloques iniciales en el maquinado de escritorio es de 180 mm (7 in) en la dirección x, 150 mm (6 in) en la dirección y y 150 mm (6 in) en la dirección z.

2) Procesos de adición de material.

Las tecnologías de RP por adición de material, cuyo trabajo consiste en agregar capas de material una a una para construir la pieza sólida desde abajo hasta arriba. Los materiales iniciales incluyen 1) monómeros líquidos que se curan capa por capa para convertirlos en polímeros sólidos, 2) polvos que se añaden y se pegan capa por capa y 3) hojas sólidas que se laminan para crear la pieza sólida. Además del material de inicio, lo que distingue a las diferentes tecnologías de RP por adición de material es el método para construir y agregar las capas para crear la pieza sólida. Algunas técnicas usan rayos láser para solidificar el material inicial, otras depositan un filamento de plástico suave en el contorno de cada capa, mientras que otras adhieren capas sólidas una junto a otra. Existe una correlación entre el material inicial y las técnicas de construcción de piezas, como se verá en el análisis de las tecnologías de RP.

El enfoque común para preparar las instrucciones (programa de la pieza) en todas las técnicas actuales de RP por adición de material incluye los siguientes pasos:

1. Modelado geométrico. Consiste en modelar el componente en un sistema de CAD para definir el volumen que engloba. El modelado sólido es la técnica preferida porque proporciona una representación matemática completa y precisa de la forma de la pieza. Para la creación rápida de prototipos, lo más importante consiste en distinguir el interior (la masa) de la pieza de su exterior, y el modelado sólido proporciona esta distinción.

2. Teselado del modelo geométrico. En este paso, el modelo de CAD se convierte a un formato en el que sus superficies se aproximan mediante triángulos o polígonos. Los triángulos o polígonos se usan para definir la superficie, al menos de manera aproximada, y tienen sus vértices ordenados de tal manera que pueda distinguirse el interior del objeto de su exterior. El formato de teselado común que se usa en la creación rápida de prototipos es la STL (STereoLithografy), que se ha convertido en la norma de facto como formato de entrada para casi todos los sistemas de RP.

3. División del modelo en capas. En este paso, el modelo en formato de archivo STL se divide en capas horizontales paralelas con una separación muy estrecha. La conversión de un modelo sólido en capas se ilustra en la siguiente figura. Después, estas capas son usadas por el sistema de RP para construir el modelo físico. Por convención, las capas se forman en la orientación del plano x-y, y el procedimiento de creación de capas ocurre en la dirección del eje z. Para cada capa, se genera una trayectoria de curado, llamado el archivo STI, que es la ruta que debe seguir el sistema de RP para curar (o dicho de otra forma, solidificar) la capa.

 

Como lo indica el panorama de la sección, existen diferentes tecnologías para la creación rápida de prototipos por adición de materiales. Esta heterogeneidad ha producido algunos nombres alternativos para la creación rápida de prototipos, que incluyen manufactura por capas, manufactura CAD directa y fabricación de formas libres sólidas. El término creación rápida de prototipos y manufactura (RPM) también se está utilizando, cada vez con mayor frecuencia, para indicar que las tecnologías de RP pueden aplicarse para hacer partes del producto y fabricar herramientas para la producción, no sólo prototipos.

TECNOLOGÍAS PARA LA CREACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS

En la actualidad se han creado alrededor de 25 técnicas de RP, las cuales pueden clasificarse de diferentes maneras. Se adoptará un sistema de clasificación recomendado  y en que es consistente con el esquema de clasificación para los procesos de formado de partes (después de todo, la creación rápida de prototipos es un proceso de formado de piezas). El método de clasificación se basa en la forma del material inicial en el proceso de RP:

1) Basado en líquidos,

2) Basado en sólidos y

3) Basado en polvos.

En estas tecnologías, el material base es un líquido. Alrededor de una docena de tecnologías de RP se encuentran en esta categoría; de éstas se describirán las siguientes tecnologías más difundidas.

1) Estereolitografía

Ésta fue la primera tecnología de RP por adición de material; data de alrededor de 1988 y fue introducida por 3D Systems Inc. basada en el trabajo del inventor Charles Hull. Al momento de escribir este texto, existían más instalaciones de estereolitografía que de cualquier otra tecnología de RP. La estereolitografía (STL, también abreviada como SLA por aparato de estereolitografía) es un proceso para la fabricación de una pieza de plástico sólido, a partir de un polímero líquido fotosensible, usando un rayo láser dirigido para solidificar el polímero. La preparación general de la pieza para el proceso se ilustra en la figura 2. La fabricación de la parte se logra como una serie de capas, en la cual una serie se agrega sobre la capa anterior para construir gradualmente la configuración geométrica tridimensional deseada. En la figura 34.3 se ilustra una pieza fabricada por STL.

 El aparato de estereolitografía consiste en 1) una plataforma que puede moverse de manera vertical dentro de un recipiente que contiene el polímero fotosensible y 2) un láser cuyo rayo puede controlarse en la dirección x-y. Al inicio del proceso, la plataforma se posiciona verticalmente cerca de la superficie del fotopolímero líquido, y un rayo láser se dirige a través de una trayectoria de curado que comprende un área correspondiente a la base (capa inferior) de la pieza. Ésta y las siguientes rutas de curado se definen mediante el archivo STI (paso 3 en la preparación de datos descrita con anterioridad). La acción del láser consiste en endurecer (curar) el polímero fotosensible en los puntos donde el rayo choca con el líquido, formando una capa sólida de plástico que se adhiere a la plataforma.

Cuando se completa la capa inicial, la plataforma se baja una distancia igual al espesor de la capa y se forma una segunda capa encima de la primera por medio del láser, y así de manera sucesiva. Antes de que cada capa nueva sea curada, se pasa una cuchilla limpiadora sobre la resina líquida viscosa para asegurar que su nivel sea el mismo a través de la superficie. Cada capa tiene su propia forma de área, de manera que la sucesión de capas, cada una encima de la anterior, crea la forma de la pieza sólida. Cada capa tiene un espesor de 0.076 a 0.50 mm (0.003 a 0.020 in). Las capas más delgadas proporcionan una mejor resolución y permiten formas de piezas más intrincadas; pero el tiempo de procesamiento es mayor. Típicamente, los fotopolímeros son acrílicos [11], aunque también se ha reportado el uso de epóxicos para la STL [9]. Los líquidos iniciales son monómeros líquidos. La polimerización ocurre después de la exposición a la luz ultravioleta producida por láser de helio-cadmio o iones de argón. Por lo general, las velocidades de exploración de los láseres STL están entre 500 y 2 500 mm/s.

 

El tiempo requerido para construir la pieza mediante este proceso de creación de capas va desde una hora para piezas pequeñas de configuración geométrica simple hasta varias docenas de horas para piezas complejas. Otros factores que afectan el tiempo del ciclo son la velocidad de exploración y el espesor de las capas. El tiempo de construcción de una pieza en la estereolitografía puede estimarse al determinar el tiempo para completar cada capa y después sumar los tiempos para todas las capas. Primero, el tiempo para completar una sola capa está dado por la siguiente ecuación:

 

 donde Ti = tiempo para completar la capa i, en segundos, donde el subíndice i se utiliza para identificar la capa; Ai = área de la capa i, mm2 (in2); v = velocidad de exploración promedio del rayo láser en la superficie, mm/s (in/s); D = diámetro del rayo láser en la superficie (llamado el “tamaño del punto,” el cual se supone circular), mm (in); y Tr = tiempo de reposicionamiento entre las capas, s. En el caso de la estereolitografía, el tiempo de reposicionamiento implica hacer descender la mesa de trabajo en preparación para la siguiente capa que se va a fabricar. Otras técnicas de RP requieren pasos de reposicionamiento análogo entre capas. La velocidad de exploración promedio v debe incluir cualquier efecto de las interrupciones en la trayectoria de exploración (por ejemplo, debidas a los espacios entre áreas de la pieza en una capa dada). Una vez que se han determinado los valores Ti para todas las capas, puede calcularse el tiempo del ciclo de construcción:

 

donde Tc es el tiempo del ciclo de construcción STL, s; y nl = el número de capas usadas para aproximar la pieza.

Después de haber formado todas las capas, el fotopolímero está curado en alrededor de 95%. Por lo tanto, la pieza se “cocina” en un horno fluorescente para solidificar por completo el polímero. El exceso de polímero se retira con alcohol, y a veces se usa arena ligera para mejorar la lisura y la apariencia.

De acuerdo con su diseño y orientación, una pieza puede contener elementos protuberantes sin medios de apoyo, durante la ejecución del método de abajo hacia arriba usado en la estereolitografía. Por ejemplo, en la pieza de la figura 34.1, si la mitad inferior del asa y la barra del asa inferior fueran eliminadas, la porción superior del asa no estaría apoyada durante la fabricación. En estos casos, pueden necesitarse pilares o mallas extras que se añaden a la pieza sólo con el fin de proporcionar apoyo. De otra forma las protuberancias pueden flotar o distorsionar la forma de la pieza deseada. Estos elementos extra deben eliminarse después de completar el proceso.

2) Curado en tierra sólida

Al igual que la estereolitografía, el curado en tierra sólida (SGC, por sus siglas en inglés) funciona mediante el curado de un polímero fotosensible capa por capa para crear un modelo sólido basado en datos geométricos de CAD. En lugar de usar un láser explorador para realizar el curado de una capa dada, la capa completa se expone a una fuente de luz ultravioleta a través de una máscara que se coloca encima de la superficie del polímero líquido. El proceso de endurecimiento requiere de 2 a 3 segundos para cada capa. Cubital Ltd. vende los sistemas de SGC bajo el nombre Solider system.

Los datos iniciales en el SGC son semejantes a los usados en la estereolitografía: un modelo geométrico en CAD de la pieza que se ha dividido en capas. Para cada capa, el procedimiento paso a paso en el SGC se ilustra en la figura 34.4 y se describe aquí:

 

1) Se crea una máscara en una placa de vidrio mediante la carga electrostática de una imagen negativa de la capa sobre la superficie. La tecnología para la creación de imágenes es básicamente la misma que la que se utiliza en las fotocopiadoras.

2) Se distribuye una capa plana delgada de fotopolímero líquido sobre la superficie de la plataforma de trabajo.

3) La máscara se coloca encima de la superficie del polímero líquido y se expone a una lámpara ultravioleta con alta energía (por ejemplo, 2 000 W). Las porciones de la capa de polímero líquido que no están protegidas por la máscara se solidifican en alrededor de 2 s. Las áreas sombreadas de la capa permanecen en estado líquido.

4) La máscara se retira, la placa de vidrio se limpia y se deja lista para una capa subsecuente en el paso 1. Asimismo, el polímero líquido restante sobre la superficie se retira en un procedimiento de frotado y succionado.

5) Las áreas abiertas de la capa se llenan con cera caliente. Cuando se endurece, la cera actúa para sostener las secciones salientes de la pieza.

6) Una vez que la cera se ha enfriado y solidificado, la superficie de polímero y cera se somete a fresado para formar una capa plana de espesor específico, lista para recibir la siguiente aplicación de fotopolímero líquido en el paso 2. Aunque se ha descrito el SGC como un proceso secuencial, ciertos pasos se realizan en paralelo.  De manera específica, el paso 1 para la preparación de la máscara en la siguiente capa se ejecuta en forma simultánea con los pasos para la fabricación de la capa, del 2 al 6, usando dos placas de cristal durante capas alternadas.

La secuencia para cada capa requiere alrededor de 90 segundos. Se pretende que el tiempo de producción de una pieza mediante SGC sea alrededor de ocho veces más rápido que los sistemas RP equiparables. La forma cúbica sólida creada en el SGC consiste en polímero sólido y cera. La cera proporciona soporte para los elementos frágiles y protuberantes de la pieza durante la fabricación, pero puede fundirse posteriormente para dejar la parte independiente. A diferencia de la estereolitografía, no se requiere curado posterior del modelo prototipo terminado.

3) Manufactura por deposición a goteo.

Estos sistemas operan al fundir el material inicial y disparar pequeñas gotas sobre una capa previamente formada. Las gotas líquidas se sueldan en frío a la superficie para formar una nueva capa. La deposición de gotas para cada nueva capa se controla por medio de una cabeza de trabajo con boquilla de aspersión que se mueve en el plano x-y, cuya trayectoria se basa en una sección transversal de un modelo geométrico en CAD que se ha dividido en capas (semejante a los otros sistemas de RP descritos con anterioridad). Después de que cada capa se ha aplicado, la plataforma que soporta la pieza se baja a cierta distancia correspondiente al espesor de la capa, en preparación para la siguiente capa. El término manufactura de deposición por goteo (DDM, por sus siglas en inglés) se refiere al hecho de que se depositan pequeñas partículas de material de trabajo como pequeños proyectiles lanzados desde una boquilla en la cabeza de trabajo.

Varios sistemas de RP comerciales se basan en este principio operativo general, las diferencias están en el tipo de material que se deposita y la técnica correspondiente mediante la cual opera la cabeza de trabajo para fundir y aplicar el material. Un criterio importante que debe satisfacer el material inicial es que sea fácil de fundir y solidificar. Los materiales de trabajo usados en el DDM incluyen la cera y los termoplásticos, aunque también se han probado metales con punto de fusión bajo, como el estaño, el zinc, el plomo y el aluminio. Por ejemplo, la técnica de deposición por goteo puede usarse para aplicar gotas de soldadura suave para el empaque de circuitos integrados (sección 35.6) y tarjetas de circuitos impresos de línea fina.

Uno de los sistemas BPM más populares es el Personal Modeler®, vendido por BMP Technology, Inc. a un precio aproximado de $40 000 (al momento de escribir este texto), que es uno de los sistemas de RP de menor costo. Por lo general, se usa la cera como material de trabajo. La cabeza del eyector funciona con un oscilador piezoeléctrico que dispara pequeñas gotas de cera a una velocidad de 10 000 a 15 000 por segundo. Las gotas tienen un tamaño uniforme con un diámetro aproximado de 0.076 mm (0.003 in), las cuales se aplanan hasta un espesor solidificado de alrededor de 0.05 mm (0.002 in) en el momento de impactar contra la superficie de la pieza existente. Después de haber depositado cada capa, a la superficie se le aplica fresado o suavización térmica para lograr precisión en la dirección z. El espesor de la capa es de alrededor de 0.09 mm (0.0035 in).

MAPA CONCEPTUAL

 

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¿Qué sé?

Sé que existes mecanismos o tecnologías que nos permiten crear algunas piezas requeridas para realizar validaciones de ensambles o puntos criticos antes de proceder a realizar la producción en gran volumen, con lo cual se ahorra tiempo, dinero y esfuerzo en corregir posibles errores en el proceso que pudiesen tener al momento de pasarlo a dicha producción, además de detectar caracteristicas críticas de calidad y diseño.

¿Qué aprendí?

Aprendí que los prototipos rápidos son de gran utilidad para la validación de componentes y piezas de caracterizticas criticas antes de meterlos a proceso y que nos permiten detectar posibles errores de diseño y calidad de forma más precisa y económica teniendo la pieza fisicamente en nuestra manos en lugar de solamente un modelo en computadora y evitar paros de linea o costosos ajuste de máquinas-herramientas en el proceso. Para ello se requiere de un previo conocimiento de herramientas informáticas y diseño para la utilización de CAD, con lo cual se pueden hacer prototipos de ingeniería en los menores tiempos posibles teniendo como base un modelo a computadora en CAD, esto permite que tengamos una mayor certeza de las pruebas realizadas a nuestras piezas de forma física analizando sus ventajas y desventajas. También aprendi que estas tecnologías de prototipado rápido se clasifican en dos grandes categorías: la primera son los RP por remoción de material en los cuales como su nombre lo dice remueve material de la pieza de trabajo en forma de viruta, algunos de los más conocidos es el fresado, el taladrado y el CNC, previamente respaldado mediante la programación de la pieza en CN; La segunda categoría es la RP por adición de material, en la cual se agregan capas de material para crear la pieza de abajo hacia ariba. También aprendí 3 de las tecnologías más utilizadas para creación de los prototipos rápidos, la primera es la Estereolitografía, la cual consiste en la fabricación en una pieza de plástico a través de un polímero liquido fotosensible utilizando un rayo láser para endurecer el polimero;  la segunda en el Curado en tierra sólida, que funciona algo parecido a la estereolitografía, mediante el curado de un polimero fotosensible capa por capa para ir creando un modelo sólido; y la tercera es la Manufactura de deposición por goteo, en la cual se funde el material inicial y disparar pequeñas gotas en frío a través de una boquilla de aspersión sobre una capa previamente formada.

¿Qué quiero aprender?

Quiero aprender a realizar o minimo a ver fisicamente como se lleva a cabo uno de estos procesos de fabricación de prototipos rápidos y conocer más a fondo acerca de ellos, en especial el proceso de Estereolitografía el cual me parece uno de los más prácticos y accesibles al momento de realizar un prototipo rápido.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS

FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA, Tercera edición, Autor: MIKELL P. GROOVER , pág. 764-797, Editorial: MCGRAW-HILL INTERAMERICANA