La creación rápida de prototipos es un grupo de técnicas que se utilizan para fabricar rápidamente un modelo a escala de una pieza o ensamblaje físico utilizando datos tridimensionales de diseño asistido por computadora ( CAD ). [1] [2] La construcción de la pieza o conjunto generalmente se realiza mediante impresión 3D o tecnología de " fabricación de capas aditivas ". [3]
Los primeros métodos para la creación rápida de prototipos estuvieron disponibles a mediados de 1987 y se utilizaron para producir modelos y piezas prototipo . Hoy en día, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y se utilizan para fabricar piezas con calidad de producción en cantidades relativamente pequeñas, si se desea, sin la típica economía desfavorable a corto plazo. [4] Esta economía ha fomentado las oficinas de servicios en línea. Los estudios históricos de la tecnología RP [2] comienzan con discusiones sobre las técnicas de producción de simulacros utilizadas por los escultores del siglo XIX. Algunos escultores modernos utilizan la tecnología de la progenie para producir exposiciones y diversos objetos. [5] La capacidad de reproducir diseños a partir de un conjunto de datos ha dado lugar a problemas de derechos, ya que ahora es posible interpolar datos volumétricos a partir de imágenes 2D.
Al igual que con los métodos sustractivos CNC , el flujo de trabajo CAD - CAM de diseño asistido por computadora y fabricación asistida por computadora en el proceso tradicional de creación rápida de prototipos comienza con la creación de datos geométricos, ya sea como un sólido 3D usando una estación de trabajo CAD o cortes 2D usando una dispositivo de escaneo. Para la creación rápida de prototipos, estos datos deben representar un modelo geométrico válido; es decir, aquel cuyas superficies límite encierran un volumen finito, no contienen agujeros que expongan el interior y no se pliegan sobre sí mismos. [6] En otras palabras, el objeto debe tener un "interior". El modelo es válido si para cada punto en el espacio 3D la computadora puede determinar de manera única si ese punto se encuentra dentro, sobre o fuera de la superficie límite del modelo. Los postprocesadores CAD aproximarán las formas geométricas CAD internas de los proveedores de aplicaciones (por ejemplo, B-splines) con una forma matemática simplificada, que a su vez se expresa en un formato de datos específico que es una característica común en la fabricación aditiva : formato de archivo STL , un estándar de facto para transferir modelos geométricos sólidos a máquinas SFF. [7]
Para obtener las trayectorias de control de movimiento necesarias para impulsar el SFF real, la creación rápida de prototipos, la impresión 3D o el mecanismo de fabricación aditiva , el modelo geométrico preparado generalmente se corta en capas y las rebanadas se escanean en líneas (lo que produce un "dibujo 2D" que se utiliza para generar trayectoria como en la trayectoria de herramienta del CNC ), imitando a la inversa el proceso de construcción física capa a capa. [ cita necesaria ]
La creación rápida de prototipos también se aplica comúnmente en la ingeniería de software para probar nuevos modelos comerciales y arquitecturas de aplicaciones como la industria aeroespacial, automotriz, servicios financieros, desarrollo de productos y atención médica. [8] Los equipos industriales y de diseño aeroespacial dependen de la creación de prototipos para crear nuevas metodologías de fabricación aditiva en la industria. Al utilizar SLA, pueden crear rápidamente múltiples versiones de sus proyectos en unos pocos días y comenzar a realizar pruebas más rápido. [9] La creación rápida de prototipos permite a los diseñadores/desarrolladores proporcionar una idea precisa de cómo quedará el producto terminado antes de invertir demasiado tiempo y dinero en el prototipo. La impresión 3D que se utiliza para la creación rápida de prototipos permite que se realice la impresión 3D industrial. Con esto, podría tener moldes a gran escala para piezas de repuesto bombeadas rápidamente en un corto período de tiempo. [10]
En la década de 1970, Joseph Henry Condon y otros en Bell Labs desarrollaron el Sistema de Diseño de Circuitos Unix (UCDS), automatizando la tarea laboriosa y propensa a errores de convertir manualmente dibujos para fabricar placas de circuitos con fines de investigación y desarrollo.
En la década de 1980, los responsables políticos y los gerentes industriales estadounidenses se vieron obligados a tomar nota de que el dominio estadounidense en el campo de la fabricación de máquinas herramienta se había evaporado, en lo que se denominó la crisis de las máquinas herramienta. Numerosos proyectos intentaron contrarrestar estas tendencias en el campo tradicional CNC CAM , que había comenzado en EE.UU. Más tarde, cuando los sistemas de creación rápida de prototipos salieron de los laboratorios para ser comercializados, se reconoció que los desarrollos ya eran internacionales y que las empresas estadounidenses de creación rápida de prototipos no se permitirían el lujo de dejar escapar una ventaja. La Fundación Nacional de Ciencias era un paraguas para la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio ( NASA ), el Departamento de Energía de EE.UU. , el Departamento de Comercio de EE.UU. NIST , el Departamento de Defensa de EE.UU. , la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) y la Oficina de Naval Research coordinó estudios para informar a los planificadores estratégicos en sus deliberaciones. Uno de esos informes fue el Informe del Panel sobre creación rápida de prototipos en Europa y Japón de 1997 [2] en el que Joseph J. Beaman [19] , fundador de DTM Corporation [DTM RapidTool en la foto], ofrece una perspectiva histórica:
Las raíces de la tecnología de creación rápida de prototipos se remontan a las prácticas de topografía y fotoescultura. Dentro de la TOPOGRAFÍA, Blanther (1892) sugirió un método en capas para hacer un molde para mapas topográficos de papel en relieve. El proceso implicaba cortar las líneas de contorno en una serie de placas que luego se apilaban. Matsubara (1974) de Mitsubishi propuso un proceso topográfico con una resina de fotopolímero fotoendurecible para formar capas delgadas apiladas para hacer un molde de fundición. La FOTOESCULTURA fue una técnica del siglo XIX para crear réplicas tridimensionales exactas de objetos. El más famoso Francois Willeme (1860) colocó 24 cámaras en una disposición circular y fotografió simultáneamente un objeto. Luego se utilizó la silueta de cada fotografía para tallar una réplica. Morioka (1935, 1944) desarrolló una escultura fotográfica híbrida y un proceso topográfico utilizando luz estructurada para crear fotográficamente líneas de contorno de un objeto. Luego, las líneas podrían desarrollarse en hojas y cortarse y apilarse, o proyectarse sobre material original para tallarse. El proceso de Munz (1956) reprodujo una imagen tridimensional de un objeto exponiendo selectivamente, capa por capa, una fotoemulsión sobre un pistón que descendía. Después de fijarlo , un cilindro sólido transparente contiene una imagen del objeto.
—Joseph J. Beaman [20]
"Los orígenes de la creación rápida de prototipos: RP surge de la industria CAD en constante crecimiento, más específicamente, del lado del modelado sólido de CAD. Antes de que se introdujera el modelado sólido a fines de la década de 1980, los modelos tridimensionales se creaban con marcos y superficies de alambre. Pero No fue hasta el desarrollo del verdadero modelado de sólidos que se pudieron desarrollar procesos innovadores como el RP. Charles Hull, quien ayudó a fundar 3D Systems en 1986, desarrolló el primer proceso RP. Este proceso, llamado estereolitografía, construye objetos curando finas capas consecutivas de ciertos rayos ultravioleta. resinas líquidas sensibles a la luz con un láser de baja potencia. Con la introducción de RP, los modelos sólidos CAD podrían cobrar vida de repente". [21]
Las tecnologías denominadas Solid Freeform Fabrication son lo que hoy conocemos como creación rápida de prototipos, impresión 3D o fabricación aditiva : Swainson (1977), Schwerzel (1984) trabajaron en la polimerización de un polímero fotosensible en la intersección de dos rayos láser controlados por ordenador . Ciraud (1972) consideró la deposición magnetostática o electrostática con haz de electrones , láser o plasma para revestimientos de superficies sinterizadas. Todos estos fueron propuestos, pero se desconoce si se construyeron máquinas que funcionaran. Hideo Kodama del Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya fue el primero en publicar un relato de un modelo sólido fabricado utilizando un sistema de creación rápida de prototipos de fotopolímero (1981). [2] Stratasys fabricó el primer sistema de creación rápida de prototipos 3D basado en el modelado por deposición fundida (FDM) en abril de 1992, pero la patente no se emitió hasta el 9 de junio de 1992. Sanders Prototype, Inc presentó la primera impresora 3D de inyección de tinta de escritorio (3DP). ) usando una invención del 4 de agosto de 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro a finales de 1993 y luego la impresora 3D industrial más grande, Modelmaker 2, en 1997. [22] Z-Corp usando el aglutinante de polvo MIT 3DP para Direct Shell Casting (DSP ) inventado en 1993 se introdujo en el mercado en 1995. [23] Incluso en esa fecha tan temprana se consideraba que la tecnología tenía un lugar en la práctica de fabricación. Una salida de baja resolución y baja resistencia tenía valor en la verificación del diseño, la fabricación de moldes, las plantillas de producción y otras áreas. Los productos han avanzado constantemente hacia usos de especificaciones más altas. [24] Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) comenzó como un fabricante de impresión 3D de creación rápida de prototipos con Modelmaker 6Pro para crear patrones termoplásticos sacrificables de modelos CAD que utiliza tecnología de boquilla única de inyección de tinta Drop-On-Demand (DOD). [23]
Constantemente se buscan innovaciones para mejorar la velocidad y la capacidad de hacer frente a aplicaciones de producción en masa. [25] Un desarrollo espectacular que RP comparte con áreas CNC relacionadas es el código abierto gratuito de aplicaciones de alto nivel que constituyen una cadena completa de herramientas CAD - CAM . Esto ha creado una comunidad de fabricantes de dispositivos de baja resolución. Los aficionados incluso han incursionado en diseños de dispositivos con efectos láser más exigentes. [26]
La primera lista de procesos de RP o tecnologías de fabricación publicada en 1993 fue escrita por Marshall Burns y explica cada proceso de manera muy detallada. También nombra algunas tecnologías que fueron precursoras de los nombres de la lista siguiente. Por ejemplo: Visual Impact Corporation solo produjo un prototipo de impresora para deposición de cera y luego otorgó la patente a Sanders Prototype, Inc. BPM utilizó los mismos chorros de tinta y materiales. [27]
Acelera el proceso de diseño de cualquier producto ya que permite tanto la creación de prototipos de baja fidelidad como la creación de prototipos de alta fidelidad, [28] para prever los ajustes necesarios que se realizarán antes de la línea de producción final. Como resultado de esto, también reduce los costos de producción para el desarrollo general del producto [29] y permite realizar pruebas de funcionalidad a una fracción del costo regular. Elimina el riesgo de que el equipo de diseño sufra lesiones y que el prototipo se dañe durante el proceso de modelado. También permite que los usuarios o grupos focales se involucren en el proceso de diseño a través de interacciones con cada uno de los prototipos, desde el prototipo inicial hasta el modelo final. Además, es una forma ideal de realizar pruebas de ergonomía [30] y antropometría ( factores humanos ) para que el producto diseñado sea capaz de satisfacer las necesidades del usuario y ofrezca una experiencia de uso única.
Aunque existen varios beneficios que conlleva la creación rápida de prototipos, algunos de los aspectos negativos son que puede haber una falta de precisión [31] , ya que no puede garantizar que la calidad del prototipo será alta o que los diferentes componentes encajan bien debido a un rango de error en las dimensiones del modelo 3D. Además, el coste inicial de utilizar esta técnica de producción puede resultar elevado debido a la tecnología [32] con la que trabaja. Puede limitar la gama de materiales [33] con los que se puede fabricar el producto y, dependiendo del nivel de complejidad que implique el diseño, puede generar una dura mano de obra calificada .
