La creación rápida de prototipos es un grupo de técnicas que se utilizan para fabricar rápidamente un modelo a escala de una pieza o conjunto físico utilizando datos tridimensionales de diseño asistido por ordenador ( CAD ). [1] [2] La construcción de la pieza o conjunto se realiza normalmente mediante impresión 3D o tecnología de " fabricación por capas aditivas ". [3]
Los primeros métodos de prototipado rápido se pusieron a disposición a mediados de 1987 y se utilizaban para producir modelos y piezas prototipo . Hoy en día, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y se utilizan para fabricar piezas de calidad de producción en cantidades relativamente pequeñas si se desea sin la típica economía desfavorable de corto plazo. [4] Esta economía ha fomentado las oficinas de servicios en línea. Los estudios históricos de la tecnología RP [2] comienzan con debates sobre las técnicas de producción de simulacros utilizadas por los escultores del siglo XIX. Algunos escultores modernos utilizan la tecnología de 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 de diseño asistido por computadora - fabricación asistida por computadora CAD - CAM en el proceso tradicional de prototipado rápido comienza con la creación de datos geométricos, ya sea como un sólido 3D utilizando una estación de trabajo CAD o cortes 2D utilizando un dispositivo de escaneo. Para el prototipado rápido, estos datos deben representar un modelo geométrico válido; es decir, uno cuyas superficies límite encierran un volumen finito, no contienen agujeros que expongan el interior y no se pliegan sobre sí mismas. [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 forma única si ese punto se encuentra dentro, sobre o fuera de la superficie límite del modelo. Los posprocesadores 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 mecanismo real de fabricación aditiva, impresión 3D , prototipado rápido o SFF , el modelo geométrico preparado generalmente se corta en capas y las capas se escanean en líneas (produciendo un "dibujo 2D" utilizado para generar la trayectoria como en la trayectoria de la herramienta CNC ), imitando a la inversa el proceso de construcción física capa a capa. [ cita requerida ]
El prototipado rápido también se aplica comúnmente en ingeniería de software para probar nuevos modelos de negocios y arquitecturas de aplicaciones, como la industria aeroespacial, automotriz, servicios financieros, desarrollo de productos y atención médica. [8] Los equipos de diseño e industriales de la industria aeroespacial dependen del prototipado para crear nuevas metodologías de fabricación aditiva en la industria. Con SLA, pueden crear rápidamente múltiples versiones de sus proyectos en unos pocos días y comenzar a realizar pruebas más rápido. [9] El prototipado rápido permite a los diseñadores/desarrolladores proporcionar una idea precisa de cómo resultará el producto terminado antes de invertir demasiado tiempo y dinero en el prototipo. La impresión 3D que se utiliza para el prototipado rápido permite que se lleve a cabo la impresión 3D industrial. Con esto, podría tener moldes a gran escala para piezas de repuesto que se fabrican 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 laboriosa y propensa a errores tarea de convertir manualmente dibujos para fabricar placas de circuitos con fines de investigación y desarrollo. [ cita requerida ]
En la década de 1980, los responsables políticos y los gerentes industriales de los EE. UU. se vieron obligados a tomar nota de que el dominio de los EE. UU. en el campo de la fabricación de máquinas herramienta se evaporó, en lo que se denominó la crisis de las máquinas herramienta. Numerosos proyectos buscaron contrarrestar estas tendencias en el área tradicional CNC CAM , que había comenzado en los EE. UU. Más tarde, cuando los sistemas de creación rápida de prototipos salieron de los laboratorios para comercializarse, se reconoció que los desarrollos ya eran internacionales y las empresas estadounidenses de creación rápida de prototipos no podían darse 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 los EE. UU. , el Departamento de Comercio de los EE. UU. NIST , el Departamento de Defensa de los EE. UU. , la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) y la Oficina de Investigación Naval coordinaban estudios para informar a los planificadores estratégicos en sus deliberaciones. Uno de esos informes fue el Informe del Panel sobre Prototipado Rápido en Europa y Japón de 1997 [2] en el que Joseph J. Beaman [12], fundador de DTM Corporation [DTM RapidTool en la foto], ofrece una perspectiva histórica:
Las raíces de la tecnología de prototipado rápido se remontan a las prácticas en topografía y fotoescultura. En 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 fue Francois Willeme (1860), quien 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 un proceso híbrido de fotoescultura y topografía utilizando luz estructurada para crear fotográficamente líneas de contorno de un objeto. Las líneas podían entonces ser reveladas en láminas y cortadas y apiladas, o proyectadas sobre material de archivo para tallar. El proceso Munz (1956) reproducía una imagen tridimensional de un objeto exponiendo selectivamente, capa por capa, una fotoemulsión en un pistón que descendía. Después de la fijación , un cilindro transparente sólido contenía una imagen del objeto.
—Joseph J. Beaman [13]
"Los orígenes del prototipado rápido (RP) provienen de la creciente industria del CAD, más específicamente, del modelado sólido del CAD. Antes de que se introdujera el modelado sólido a fines de la década de 1980, los modelos tridimensionales se creaban con estructuras de alambre y superficies. Pero no fue hasta el desarrollo del verdadero modelado sólido 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 al curar capas delgadas consecutivas de ciertas resinas líquidas sensibles a la luz ultravioleta con un láser de baja potencia. Con la introducción del RP, los modelos sólidos CAD de repente pudieron cobrar vida". [14]
Las tecnologías conocidas como Solid Freeform Fabrication son lo que hoy conocemos como prototipado rápido, 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 computadora . Ciraud (1972) consideró la deposición magnetostática o electrostática con haz de electrones , láser o plasma para revestimiento de superficies sinterizadas. Todas estas fueron propuestas, pero se desconoce si se construyeron máquinas que funcionaran. Hideo Kodama, del Instituto de Investigación Industrial Municipal de Nagoya, fue el primero en publicar un relato de un modelo sólido fabricado utilizando un sistema de prototipado rápido de fotopolímero (1981). [2] El primer sistema de prototipado rápido en 3D basado en modelado por deposición fundida (FDM) fue creado en abril de 1992 por Stratasys, 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) utilizando una invención del 4 de agosto de 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro a fines de 1993 y luego la impresora 3D industrial más grande, Modelmaker 2, en 1997. [15] Z-Corp, que utiliza el aglutinante de polvo MIT 3DP para fundición directa en carcasa (DSP), inventado en 1993, se introdujo en el mercado en 1995. [16] Incluso en esa fecha 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 resultados han avanzado constantemente hacia usos de mayor especificación. [17] Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) comenzó como fabricante de sistemas de impresión 3D de prototipado rápido con Modelmaker 6Pro para crear patrones termoplásticos de sacrificio de modelos CAD que utilizan tecnología de inyección de tinta de una sola boquilla Drop-On-Demand (DOD). [16]
Se buscan constantemente innovaciones para mejorar la velocidad y la capacidad de hacer frente a aplicaciones de producción en masa. [18] Un desarrollo espectacular que la RP comparte con áreas relacionadas con el CNC es la apertura de código de aplicaciones de alto nivel que constituyen una cadena de herramientas CAD - CAM completa . Esto ha creado una comunidad de fabricantes de dispositivos de baja resolución. Los aficionados incluso han hecho incursiones en diseños de dispositivos con efectos láser más exigentes. [19]
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 menciona algunas tecnologías que fueron precursoras de los nombres que aparecen en la lista siguiente. Por ejemplo: Visual Impact Corporation solo produjo un prototipo de impresora para la deposición de cera y luego otorgó la licencia de la patente a Sanders Prototype, Inc. BPM utilizó las mismas impresoras de inyección de tinta y los mismos materiales. [20]
Acelera el proceso de diseño de cualquier producto ya que permite tanto el prototipado de baja fidelidad como el prototipado de alta fidelidad, [21] para prever los ajustes necesarios a realizar antes de la línea de producción final. Como resultado de esto, también reduce los costos de producción para el desarrollo general del producto [21] y permite realizar pruebas de funcionalidad a una fracción del costo regular. Elimina el riesgo de que el equipo de diseño sufra lesiones y el prototipo se dañe durante el proceso de modelado. También permite que los usuarios o grupos focales tengan una participación en el proceso de diseño a través de interacciones con cada uno de los prototipos, desde el prototipo inicial hasta el modelo final. Por ejemplo: proceso de fabricación de herramientas rápidas basado en prototipos de mecanizado CNC, haciendo que la reducción de costos de fabricación de moldes, acorte el ciclo de fabricación de moldes, con más facilidad para promover la aplicación de la realización del flujo del proceso de fabricación de moldes y otras ventajas. Además, es una forma ideal de probar la ergonomía [22] y la 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 vienen con el prototipado rápido, algunos de los aspectos negativos del mismo son que puede haber una falta de precisión [22] ya que no puede garantizar que la calidad del prototipo sea alta o que los diferentes componentes encajen bien entre sí debido a un rango de error en las dimensiones del modelo 3D. Además, el costo inicial de usar esta técnica de producción puede ser caro debido a la tecnología [22] con la que trabaja. Puede limitar la gama de materiales [22] con los que se puede fabricar el producto y, dependiendo del nivel de complejidad que implique el diseño, puede dar lugar a un trabajo duro y especializado .
