CREACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS - Procesamiento especial y tecnologías de ensamble
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.
FUNDAMENTOS DE LA CREACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS
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 y 2) procesos de adición 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 (sección 39.1.4). 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].
En este capítulo se pone un énfasis especial en 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 [5]:
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. 1 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,2 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 figura 34.1. 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 en [5] y que es consistente con el esquema de clasificación usado en este libro 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 las siguientes tres secciones se analizan ejemplos de cada clase.
Sistemas para la creación rápida de prototipos basados en líquidos
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 seleccionadas: 1) estereolitografía, 2) curado en tierra sólida y 3) manufactura por deposición a goteo.
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 34.2. 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:
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.
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 [5]. 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.
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).
Sistemas para la creación rápida de prototipos basados en sólidos
La característica común en estos sistemas RP es que el material inicial es sólido. En esta sección se analizan dos sistemas de RP basados en sólidos: 1) manufactura de objetos laminados y 2) modelado por deposición fundida.
Manufactura de objetos laminados La compañía principal que ofrece sistemas de manufactura de objetos laminados (LOM, por sus siglas en inglés) es Helisys, Inc. Resulta interesante saber que gran parte de los trabajos de investigación y desarrollo iniciales sobre la LOM fueron soportados por la National Science Foundation de Estados Unidos. La primera unidad comercial de LOM se lanzó en 1991.
La manufactura de objetos laminados produce un modelo físico sólido al superponer capas de material laminado, donde cada una es un corte del contorno correspondiente a la forma de la sección transversal de un modelo en CAD que se ha dividido en capas. Cada capa se pega encima de la previa, antes de realizar el corte. Después de cortar, el material en exceso de la capa permanece en su lugar para soportar la pieza durante la construcción. El material inicial en la LOM puede ser virtualmente cualquier material en forma laminar, como papel, plástico, celulosa, metales o materiales reforzados con fibra. El espesor de la materia prima está entre 0.05 y 0.50 mm (0.002 y 0.020 in). En la LOM, la hoja de material se suministra usualmente con adhesivo en la parte trasera y en forma de rollos que se envuelven en dos carretes, como en la figura 34.5. También es posible que el proceso de LOM incluya un paso de recubrimiento adhesivo para cada capa.
La fase de preparación de datos en la LOM consiste en rebanar el modelo geométrico mediante la utilización del archivo STL para la pieza dada. La función de rebanado se realiza con LOMSliceTM, que es el software especial que se usa en la manufactura de objetos laminados. El rebanado del modelo STL en la LOM se realiza después de que cada capa se ha completado físicamente y de que se ha medido la altura vertical de la pieza. Esto proporciona una corrección de retroalimentación que debe tomarse en cuenta para el espesor real del material laminado que se está usando, ésta es una característica no disponible en la mayoría de los otros sistemas de RP. Con referencia a la figura 34.5, el proceso de LOM para cada capa puede describirse de la siguiente manera; se inicia la acción con la colocación de una hoja de material para después pegarla sobre las capas acomodadas previamente: 1) LOMSliceTM calcula el perímetro de la sección transversal del modelo STL con base en la altura medida de la parte física que incluye la capa que se ha colocado hasta el momento. 2) Se usa un rayo láser para cortar a lo largo del perímetro, así como para rayar las porciones exteriores de la hoja para remociones subsecuentes. De manera típica, el láser es de CO2 y de 25 o 50 W. La trayectoria de corte se controla por medio de un sistema de posicionamiento x-y. La profundidad de corte se controla de manera que sólo se corta la capa superior. 3) La plataforma que sostiene la pila de capas se baja y la hoja de material avanza entre los carretes de suministro y recepción para la siguiente capa. Después la plataforma se eleva hasta una altura consistente con el espesor del material y un rodillo calentado se mueve a través de la capa nueva para pegar ésta. La altura de la pila de capas física se mide en preparación para que LOMSliceTM realice el siguiente cálculo de rebanado.
Cuando se han completado todas las capas, la pieza nueva se separa del exceso de material externo usando un martillo, un cincel y herramientas para el formado de madera. Después, la pieza puede lijarse para suavizar y redondear los bordes de la capa. Se recomienda una aplicación de sellado usando la aspersión de uretano, epóxicos u otro polímero para evitar la absorción de humedad. Los tamaños de las piezas producidas con LOM pueden ser relativamente grandes entre los procesos de RP, con volúmenes de trabajo de hasta 800 mm 500 mm 550 mm (32 in 20 in 22 in). Los volúmenes de trabajo más comunes son de 380 mm 250 mm 350 mm (15 in 10 in 14 in).
Modelado por deposición fundida El modelado por deposición fundida (FDM, por sus siglas en inglés) es un proceso de RP en el que un filamento de cera o polímero se estira sobre la superficie de la pieza existente desde una cabeza de trabajo para completar cada capa nueva. La cabeza de trabajo se controla en el plano x-y durante cada capa y después se mueve hacia arriba una distancia igual a una capa en la dirección z. El material inicial es un filamento sólido con un diámetro típico de 1.25 mm (0.050 in) alimentado desde un carrete hacia la cabeza de trabajo que calienta el material a una temperatura cercana a 0.5 °C (1 °F) por encima de su punto de fusión antes de estirarlo sobre la superficie de la pieza. El material estirado se solidifica y se suelda en frío a la superficie de la pieza que está más fría en alrededor de 0.1 s. La pieza se fabrica a partir de la base superior, usando un procedimiento capa por capa semejante al de otros sistemas de RP.
El FDM fue creado por Stratasys Inc., que vendió su primera máquina en 1990. Los datos iniciales provienen de un modelo geométrico en CAD que se procesa mediante los módulos de software de Stratasys QuickSlice® y SupportWorkTM. QuickSlice® se usa para rebanar el modelo en capas y SupportWorkTM se utiliza para generar cualesquiera estructuras de apoyo que se requieran durante el proceso de construcción. Si se requieren apoyos, se emplea un estirado dual y se usa un material diferente para crear los soportes. El segundo material se diseña para ser separado con facilidad del material de modelado primario. El espesor de la rebanada (capa) puede establecerse en cualquier punto entre 0.05 y 0.75 mm (0.002 y 0.030 in). Es posible depositar alrededor de 400 mm del material de filamento por segundo, mediante la cabeza de trabajo para estirado, en anchuras (llamadas el ancho del camino) que pueden establecerse entre 0.25 y 2.5 mm (0.010 y 0.100 in). Los materiales iniciales incluyen la cera fundida por inversión y algunos polímeros, como ABS, poliamida, polietileno y polipropileno. Estos materiales no son tóxicos, lo que permite que la máquina de FDM pueda instalarse en un ambiente de oficina.
Sistemas para la creación rápida de prototipos basados en polvos
La característica común de las tecnologías de RP que se describen en esta sección es que el material inicial es polvo.4 En esta categoría, se analizan dos sistemas de RP: 1) sinterización de láser selectiva y 2) impresión tridimensional.
Sinterización de láser selectiva La sinterización de láser selectiva (SLS) usa un rayo láser móvil para sinterizar polvos fusibles al calor en áreas correspondientes al modelo geométrico en CAD de una capa a la vez para construir la pieza sólida. Después de completar cada capa, se esparce una nueva capa de polvo suelto a través de la superficie usando un rodillo de contra-giro. Los polvos se calientan previamente hasta justo debajo de su punto de fusión con el propósito de facilitar el pegado y reducir la distorsión. Los polvos se pegan en forma gradual, capa por capa, en una masa sólida que forma la geometría tridimensional de la pieza. En áreas que no han sido sinterizadas por el rayo láser, los polvos permanecen sueltos de manera que puedan sacudirse de la pieza completa. Mientras tanto, sirven para soportar las regiones sólidas de la pieza mientras se realiza la fabricación. El espesor de capa está entre 0.075 y 0.50 mm (0.003 y 0.020 in).
La SLS fue desarrollada en la Universidad de Texas (Austin) como una alternativa a la estereolitografía, y en la actualidad DTM Corporation tiene en el mercado máquinas de SLS. Éste es un proceso más versátil que la estereolitografía en términos de los materiales de trabajo posibles. Los materiales actuales usados en la sinterización de láser selectiva incluyen el cloruro de polivinilo, el policarbonato, el poliéster, el poliuretano, el ABS, el nylon y la cera fundida por inversión. Estos materiales son menos costosos que las resinas fotosensibles usadas en la estereolitografía. Tampoco son tóxicas y pueden sinterizarse usando láseres de CO2 con poca potencia (de 25 a 50 W). En ocasiones, también se utilizan polvos cerámicos y metálicos en la SLS.
Impresión tridimensional Esta tecnología de RP se creó en el Massachusetts Institute of Technology. En la impresión tridimensional (3DP) la pieza se construye de la manera capa por capa usual y se emplea una impresora de chorro de tinta para lanzar un material adhesivo sobre capas sucesivas de polvos. El aglutinante se deposita en áreas correspondientes a las secciones transversales de la pieza sólida, conforme lo determina el rebanado del modelo geométrico de CAD en capas. El aglutinante mantiene juntos a los polvos a fin de formar la pieza sólida, mientras que los polvos no aglutinados permanecen sueltos para ser removidos después. Mientras los polvos sueltos están sobre la pieza durante el proceso de construcción, proporcionan soporte para los elementos protuberantes y frágiles de la pieza. Cuando se completa el proceso de construcción, la pieza se trata térmicamente con el fin de endurecer el aglutinado, para después remover los polvos sueltos. Para endurecer aún más la pieza, puede aplicarse un paso de sinterización a fin de pegar los polvos individuales.
La pieza se construye sobre una plataforma cuyo nivel es controlado por medio de un pistón. A continuación se describirá el proceso para una sección transversal con referencia a la figura 34.6: 1) Se esparce una capa de polvo sobre la pieza existente en proceso. 2) Una cabeza de impresión por chorro de tinta se mueve a través de la superficie, lanzando gotas de aglutinante sobre aquellas regiones que deben convertirse en la parte sólida. 3) Cuando se completa la impresión de la capa actual, el pistón hace descender la plataforma para la siguiente capa.
Los materiales iniciales en la 3DP son polvos de cerámica, metal, o cermet y aglutinantes que son sílices poliméricos o coloidales o carburo de silicio [9], [11]. Los espesores típicos de capa están entre 0.10 y 0.18 mm (0.004 y 0.007 in). La cabeza de impresión por chorro de tinta se mueve a través de la capa a una velocidad de alrededor de 1.5 m/s (59 in/s), con la eyección de aglutinante líquido determinado durante el barrido mediante una exploración de trama. El tiempo de barrido, junto con la dispersión de polvos, permite un tiempo de ciclo por capa de alrededor de 2 segundos [11].
ASPECTOS DE APLICACIÓN EN LA CREACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS
Las aplicaciones de la creación rápida de prototipos pueden clasificarse en tres categorías: 1) diseño, 2) análisis y planeación de ingeniería y 3) herramientas y manufactura. Diseño Ésta fue el área de aplicación inicial para los sistemas de RP. Los diseñadores pueden confirmar su diseño al construir un modelo físico real en un mínimo de tiempo usando la creación rápida de prototipos. Las características y funciones de la pieza pueden comunicarse a otros con mayor facilidad si se usa un modelo físico por medio de un dibujo en papel o al desplegarlo en el monitor de un sistema de CAD. Los beneficios al diseño atribuidos a la creación rápida de prototipos incluyen [2]: 1) reducción de tiempos de entrega para producir componentes del prototipo, 2) mejora de la capacidad para visualizar la configuración geométrica de la pieza debido a su existencia física, 3) detección temprana y reducción de errores de diseño y 4) aumento en la capacidad de calcular propiedades de masa de los componentes y ensambles.
Análisis y planeación de ingeniería La existencia de una pieza fabricada con RP permite la realización de ciertos tipos de actividades de análisis y planeación de ingeniería, las cuales podrían ser más difíciles de ejecutar sin la entidad física. Algunas de las posibilidades son: 1) comparación de diferentes formas y estilos para optimizar el atractivo estético de la pieza, 2) análisis del flujo de fluidos a través de diferentes diseños de orificios en válvulas fabricadas con RP, 3) pruebas en túnel de viento de diferentes formas aerodinámicas usando modelos físicos creados con RP, 4) análisis de esfuerzos de un modelo físico, 5) fabricación de piezas de preproducción mediante RP como un ayuda en la planeación del proceso y el diseño de herramientas y 6) combinación de tecnologías de despliegue de imágenes médicas, como MRI,5 con RP para así crear modelos médicos en la planeación de procedimientos quirúrgicos o en la fabricación de prótesis o implantes.
Herramientas y manufactura La tendencia en las aplicaciones de RP es hacia un mayor uso en la fabricación de herramientas de producción y en la manufactura real de piezas. Cuando se adopta la RP para fabricar herramientas de producción, a menudo se utiliza el término fabricación rápida de herramientas (RTM, por sus siglas en inglés). Las aplicaciones de la RTM se dividen en dos enfoques [4]: el método RTM indirecto, en el que se crea un patrón por medio de RP y el patrón se emplea para fabricar la herramienta, y el método RTM directo, en el cual se usa la RP para fabricar la herramienta en sí. Los ejemplos de RTM indirecta incluyen: 1) el uso de una pieza fabricada con RP como el modelo para hacer un molde de caucho silicio que posteriormente se utiliza como un molde de producción, 2) patrones de RP para hacer los moldes de arena en procesos de fundición de arena (sección 11.1), 3) fabricación de patrones con materiales que tienen bajo punto de fusión (por ejemplo, cera) en cantidades limitadas para fundiciones por inversión (secciones 11.2.4) y 4) fabricación de electrodos para EDM (sección 26.3.1) [5], [9]. Entre los ejemplos de la RTM directa se encuentran: 1) insertos huecos para moldes fabricados con RP a los que se les puede aplicar aspersión de metal para producir moldes de inyección para una cantidad limitada de piezas plásticas de producción (sección 13.6) y 2) impresión tridimensional para crear una geometría de dado en polvos metálicos seguida por sinterización e infiltración para completar la fabricación del troquel [4], [5], [9].
No todas las tecnologías de RP pueden usarse para todos estos ejemplos de herramientas y manufactura. Los lectores interesados pueden consultar tratamientos más completos de las tecnologías de RP para detalles específicos sobre éstos y otros ejemplos.
Problemas con la creación rápida de prototipos Los problemas principales con las tecnologías de RP actuales incluyen: 1) la precisión de la pieza, 2) la variedad limitada de material y 3) el desempeño mecánico de las piezas fabricadas.
La precisión de la pieza se ve limitada por varias fuentes de error en los sistemas de RP: 1) matemáticas, 2) relacionados con el proceso o 3) relacionados con el material [11]. Los errores matemáticos incluyen aproximaciones de las superficies de la pieza usadas en los datos de preparación para la RP y diferencias entre el espesor del rebanado y los espesores reales de las capas en la parte física. Las últimas diferencias ocasionan errores en la dimensión en el eje z. Una limitación inherente en la parte física consiste en los pasos entre las capas, especialmente conforme se incrementa el espesor de la capa, lo que causa una apariencia escalonada en la superficie de la pieza que tiene una pendiente. Los errores relacionados con el proceso son aquellos que se presentan debido a la tecnología particular usada para construir la pieza en el sistema de RP. Estos errores degradan la forma de cada capa así como el registro entre capas adyacentes. Los errores del proceso también pueden afectar la dimensión en el eje z. Finalmente, los errores relativos al material incluyen la contracción y la distorsión. Es posible proporcionar una holgura para la contracción al agrandar el modelo en CAD de la pieza, con base en la experiencia previa con el proceso y los materiales.
Los sistemas para la creación rápida de prototipos actuales están limitados en la variedad de materiales que pueden procesar. Por ejemplo, la tecnología de RP más común, la estereolitografía, se limita a los polímeros fotosensibles. En general, los materiales usados en sistemas de RP no son tan fuertes como los materiales para la producción de la pieza que se usarán en el producto real. Esto limita la eficiencia mecánica de los prototipos y la cantidad de pruebas realistas que pueden realizarse para verificar el diseño durante el desarrollo del producto.
REFERENCIAS
[1] Ashley, S., “Rapid Prototyping Is Coming of Age”. Mechanical Engineering, julio de 1995, pp. 62-68.
[2] Bakerjian, R. y Mitchell, P. (eds.), Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol. VI. Design for Manufacturability. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1992, capítulo 7.
[3] Destefani, J., “Plus or Minus”. Manufacturing Engineering, abril de 2005, pp. 93-97.
[4] Hilton, P., “Making the Leap to Rapid Tool Making”. Mechanical Engineering, julio de 1995, pp. 75-76.
[5] Kai, C. C. y Fai, L. K., Rapid Prototyping: Principles and Applications in Manufacturing, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. Singapur, 1997.
[6] Kai, C. C. y Fai, L. K., “Rapid Prototyping and Manufacturing: The Essential Link between Design and Manufacturing”, capítulo 6 en Integrated Product and Process Development: Methods, Tools, and Technologies, J. M. Usher, U. Roy y H. R. Parsaei (eds.), John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1998, pp. 151-183.
[7] Kochan, D., Kai, C. C. y Zhaohui, D., “Rapid Prototyping Issues in the 21st Century”. Computers in Industry, vol. 39, pp. 3-10, 1999.
[8] Pacheco, J. M., Rapid Prototyping, Report MTIAC SOAR93-01. Manufacturing Technology Information Analysis Center, IIT Research Institute, Chicago, Ill., 1993.
[9] Pham, D. T. y Gault, R. S., “A Comparison of Rapid Prototyping Technologies”. International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 38, pp. 1257-1287. 1998.
[10] Tseng. A. A., Lee, M. H. y Zhao, B., “Design and Operation of a Droplet Deposition System for Freeform Fabrication ofMetal Parts”, ASME Journal of Eng. Mat. Tech., vol. 123, núm. 1, 2001.
[11] Yan, X. y Gu, P., “A Review of Rapid Prototyping Technologies and Systems”, Computer-Aided Design, vol. 28, núm. 4, pp. 307-318, 1996.
Comentarios
Publicar un comentario