Las tecnologías de impresión en 3D aplicadas a la creación de prototipos y a la producción

El desarrollo de productos es diferente. Los productos actuales se diseñan para fabricarse en miles o cientos de miles de unidades, y tanto las piezas como el producto ya montado pueden fabricarse y probarse durante todo el proceso de desarrollo. En parte, esto explica la gran tasa actual de innovación de productos. Pero también crea una enorme presión en el proceso de creación del prototipo. Los nuevos productos tienen que cumplir o superar las expectativas del comprador en un mercado muy competitivo.

En muchos casos, su propuesta de valor es precisamente su innovación, el hecho de ser diferentes a todo lo que existía antes. Por eso, tienen que diseñarse y desarrollarse rápidamente para llegar al mercado antes que sus competidores. La creación de prototipos inteligente ofrece el soporte necesario para lograr todos estos objetivos: el reto consiste en elegir el proceso de creación de prototipos adecuado para cada fase del desarrollo.

La fabricación aditiva , también conocida como impresión 3D, es un proceso que utiliza modelos CAD digitales para construir objetos físicos reales, frecuentemente en capas. La adecuación de la tecnología depende del uso final de la pieza. Un modelo conceptual de un cerebro, por ejemplo, tiene un valor médico inherente para un cirujano durante la planificación de una operación, pero nunca pasará a la fase de producción porque sólo se necesitan una o dos unidades impresas en un material similar al plástico. En otras ocasiones, la fabricación aditiva puede usarse para crear pequeñas cantidades de piezas finales totalmente funcionales realizadas en metales aptos para ingeniería.

No obstante, si es posible que la fabricación incluya un proceso como el moldeo por inyección, la impresión 3D tendrá un uso más limitado en la fase de desarrollo. En las fases más avanzadas de desarrollo de una pieza fundida o moldeada, por ejemplo, será importante probar piezas que sean idénticas (o casi) a las piezas finales de producción. Esto implicará el moldeo por inyección de prototipos de plástico o de metal de una manera repetible. Así pues, el método de fabricación del prototipo puede variar durante el proceso de desarrollo dependiendo de la aplicación, los requisitos de material, la factibilidad y otros factores.

Normalmente, en sus primeras fases el prototipo se fabrica en cantidades muy pequeñas y no necesariamente tiene que presentar todas las características funcionales de las piezas finales de producción. Como la selección del material y la estructura interna de la pieza no son fundamentales en esta fase, los prototipos pueden fabricarse mediante distintas técnicas aditivas rápidas y asequibles.

Los usos de las piezas producidas mediante procesos aditivos incluyen:

La herramienta adecuada para cada trabajo

Cada método de creación de prototipos es adecuado para un objetivo diferente. Pongamos como ejemplo a un diseñador o ingeniero que está desarrollando un dispositivo portátil con piezas móviles. El proceso de desarrollo podría empezar con una serie de modelos CAD 3D. Éstos permiten la creación rápida y el montaje virtual de los componentes. Cuando esté listo para los primeros prototipos físicos, el diseñador podría producir prototipos aditivos a partir de los modelos CAD, optando por prototipos SL para los componentes de la carcasa debido al mejor acabado superficial de este método y por prototipos SLS para los componentes internos por las buenas propiedades materiales de este otro método. Durante el proceso de desarrollo, es posible que se sucedan varias iteraciones usando estos procesos a medida que evolucionan los diseños de la carcasa y de las piezas internas.

Cuando llegue el momento de las pruebas funcionales (comprobar cómo se comportan las piezas internas en funcionamiento y cómo resiste las caídas la carcasa), el diseñador podría enviar inicialmente los modelos CAD 3D para tener uno o varios prototipos de cada componente mecanizados en los materiales adecuados. Estos prototipos tendrían las características físicas de las piezas finales y, especialmente en el caso de la carcasa, reproducirían su aspecto estético. Para comprobaciones a mayor escala, se podrían utilizar los mismos modelos CAD para producir rápidamente piezas moldeadas por inyección con las que realizar evaluaciones físicas y de mercado. Si las pruebas demuestran que el producto está listo para salir al mercado, se podrían utilizar esos mismos moldes para producir piezas comercializables mientras se fresa el molde piloto de acero para la producción a gran escala.

Fabricar lo infabricable

Construir una pieza en miles de finas capas permite a los diseñadores de modelos CAD para impresión 3D crear geometrías muy complejas que, en muchas ocasiones, son imposibles de moldear: canales internos y orificios inalcanzables para las fresadoras radiales, o montajes completos impresos en una sola pieza. Pero, ¿qué ocurre cuando los prototipos aditivos están listos para pasar al moldeo por inyección? El paso de los prototipos de acero inoxidable creados mediante sinterizado directo de metal por láser (DMLS) al moldeo por inyección de metales (MIM) a pequeña escala es un buen ejemplo del desarrollo de un producto. Aunque las cuestiones de diseño específicas del moldeo como el ángulo de inclinación, los radios y el grosor uniforme de las paredes prácticamente carecen de importancia en la impresión 3D, en cuanto se pasa al MIM se vuelven mucho más críticas. En Protolabs, un software automatizado identifica problemas de moldeabilidad e incluye posibles soluciones en el presupuesto interactivo. Esto puede implicar retoques de diseño, pero convierte rápidamente un prototipo impreso en una pieza lista para la producción.

Economías de escala

Todos los procesos aditivos comparten la imposibilidad de realizar producciones masivas de miles y decenas de miles de unidades. ¿Es posible que los aditivos puedan aprovechar a corto plazo las ventajas de la escalabilidad? Según Terry Wohlers, de la consultoría independiente Wohlers Associates, Inc., los sectores médico y aeroespacial están empezando a asumir mayores producciones de piezas impresas, al igual que empresas del sector dental y de la joyería. Pero, para que se produzca un cambio radical, probablemente se necesite mucho más que eso. Según Wohlers, en la actualidad los materiales aditivos plásticos son entre 50 y 100 veces más caros que los utilizados para la fabricación tradicional, no del 50% al 100% más. Así pues, por el momento la fabricación aditiva es adecuada únicamente para pequeñas cantidades. Cuando aumente la producción por equipo y disminuyan las necesidades de equipo y material, aumentará el potencial para mayores volúmenes de producción. Hasta entonces, procesos como el moldeo por inyección (que implican una inversión inicial en moldes piloto, pero reducen su precio unitario a medida que la cantidad de unidades aumenta) siguen constituyendo el paso lógico tras la creación del prototipo.

La elección de los procesos

No existe un proceso ideal para la creación de prototipos aditivos. El reto consiste en encontrar los mejores métodos de creación de prototipos para su proyecto y para cada fase de su proyecto. Entre los métodos de creación de prototipos existen diferencias en materia de velocidad, coste, aspecto, materiales disponibles y distintas características físicas. En algunos casos, lo único que usted necesita es algo que pueda sostener en la mano; en otras ocasiones, será necesario que encaje con otros componentes.