Marioo Talavera DDiez; 3º Ingeeniería Aerooespacial

INDICE

INTRODUCCIÓN o ¿QUÉ ES EL PROTOTIPDO RÁPIDO? o TIPOS DE PROTOTIPOS o GEOMETRÍAS POSIBLES CON ESTA TECNOLOGÍA

MATERIALES PARA PROTOTIPADO RÁPIDO o RESINA rc25 o PPSF (POLIFENILSULFONA) o ARENA o METALES o RESINAS PARA ESETEREOLITOGRAFÍA (SLA) o RESINAS TECNOLOGÍA POLYJET o POLIAMIDA

TERMOPLÁSTICO PC-ABS o POLICARBONATO o ABS

TECNOLOGÍAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO o CLASIFICACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE PROTOTIPADO CON

POLÍMEROS. o TECNOLOGÍAS MAS COMUNES EN LA ACTUALIDAD o ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA) o SISTEMA SOLIFORM o SOLID GROUND CURING (SCG) o LAMINATED OBJECT MANUFACTURING (LOM) o FUSED DEPOSITION MODELLING (FDM) o SELECTIVE LASER SINTERING (SLS) o SELECTIVE LASER MELTING (SLM) o 3DP o CNC o ELECTRON BEAM MELTING (EBM)

SITUACIÓN ACTUAL Y FUTURO DEL PROTOTIPADO RAPIDO

BIBLIOGRAFÍA

 

1. INTRODUCCIÓN

1.1. ¿QUÉ ES EL PROTOTIPDO RÁPIDO?

El prototipado rápido o "additive technology", es un proceso utilizado para fabricar artículos

de plásticos metálicos o cerámicos. Su nombre en inglés se debe a que esta tecnología

consiste en añadir capa a capa el material con el que se trabaja, obteniendo la sección del

corte de cada capa, hasta que al fin se obtiene el producto deseado con la suma de todas

estas capas, en algunos casos con propiedades físicas que son similares a lo que se

producirían por métodos convencionales, como moldeo por inyección y extrusión, o moldeo por

soplado. De esta manera evitamos tener que fabricar moldes para fabricar el prototipo, que

además de ser caros son difíciles de fabricar y llevan bastante tiempo, además en caso de

cambiar el diseño del producto deberíamos fabricar de nuevo el molde. Inicialmente

el prototipado rápido solo se usaba para la fabricación de prototipos. Hoy en día se utiliza como

un proceso de fabricación más. Los modelos que se generan a través de esta tecnología, son

tanto productos estéticos, gracias a las complejas formas que permite fabricar, como modelos

de estudio u homologación para la posterior venta en el mercado del producto final, los

conocidos como “A-samples” y B-samples”. Un ejemplo se encuentra en el sector dental, en el

cual para crear las coronas y puentes dentales, se crea el soporte metálico con esta

tecnología.

1.2. TIPOS DE PROTOTIPOS

-Prototipos de diseño: Sirven para evaluar aspectos estéticos y ergonómicos.

-Prototipos geométricos: Se usan para probar concordancia geométrica, la forma y los

ensambles.

-Prototipos funcionales: Muestran las características y patrones de comportamiento en una

prueba del producto final.

-Prototipos técnicos: Se usan para evaluar todas las funciones de la pieza final.

1.3. GEOMETRÍAS POSIBLES CON ESTA TECNOLOGÍA

Es prácticamente posible fabricar cualquier tipo de geometría desarrollada en un programa

de dibujo tridimensional con esta tecnología, incluso es posible la fabricación de piezas que no

se obtienen por ningún otro método, aunque hay que tener en cuenta las consideraciones de

tamaño, ya que aunque cada vez se desarrollan máquinas que posibilitan la fabricación de

piezas mayores, siguen siendo de escala relativamente reducida.

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aglutinante. Este material nos permite fabricar moldes con un gran acabado y de gran

complejidad, cosa que no es posible mediante el resto de las técnicas convencionales de

fabricación de moldes de arena.

Las características más llamativas de esta tecnología son:

- Fabricación rápida de las piezas por capas

- Posibilidad de fabricar piezas con un máximo de 4000 x 2000 x 1000 mm

- Ahorro de tiempo y dinero comparando con el proceso habitual de realizar cajas de machos

para tiradas prototipo o tiradas cortas

- Posibilidad de fabricar cualquier forma por compleja que sea

- Rango de materiales variados para diferentes soluciones personalizadas

- Materiales válidos para colar aleaciones ligeras, hierros y aceros.

2.4. METALES

Estos materiales se trabajan mediante

Sinterizado Láser o Fusión Selectiva por Láser (FSL).

La tecnología FSL nos permite trabajar con una gran variedad

de metales, como Acero, Aluminio, Titanio o Cromo-Cobalto,

obteniendo así incluso piezas finales con las propiedades

correspondientes a cada uno de estos materiales, con la ventaja

añadida de la gran complejidad que se puede conseguir en estas piezas gracias a trabajar

mediante tecnologías de prototipado rápido.

El metal empleado en cada caso se extiende en capas de polvo fino y se va fundiendo

hasta obtener la geometría deseada.

2.5. RESINAS PARA ESETEREOLITOGRAFÍA (SLA)

Los sistemas SLA trabajan con resinas líquidas, endurecidas mediante un rayo láser.

Existe una gran variedad de resinas ya que además de las comercializadas por los fabricantes,

existen compañías químicas que desarrollan sus propias resinas.

Resina similar plástico ABS  

 

 

2.6. RESINAS TECNOLOGÍA POLYJET

La tecnología Polyjet cuenta con una amplia gama de

resinas para utilizar en sus sistemas. Todas ellas son resinas

fotosensibles que curan y endurecen con la luz. Esta

tecnología nos permite trabajar con capas muy finas, por lo

que permite obtener piezas con excelentes acabados

superficiales y calidad de los detalles, ya que se pueden

hacer con gran precisión.

2.7. POLIAMIDA

Los sistemas de prototipado por sinterizado láser

(SLS) trabajan con diferentes materiales, muchos de ellos

están compuestos principalmente por polvo de poliamida que

es un material muy utilizado en múltiples sectores

industriales.

Los prototipos realizados mediante sinterizado de

poliamida tienen buenas características mecánicas por lo que son muy buenos para completar

ensayos funcionales en montajes, zonas de clipajes, esfuerzos de impacto, etc. Asimismo, son

piezas que tienen buenas resistencias a productos químicos y una resistencia a la temperatura

interesante.

En cuanto a los compuestos de poliamida que podemos elegir a la hora de realizar las

piezas existen varias opciones: PA2200 (poliamida natural), PA3200 (poliamida con carga de

fibra de vidrio), PA2210 FR1 (poliamida natural auto extinguible), Alúmide (poliamida con carga

de aluminio), Carbonmide (poliamida con carga de carbono)

Los materiales PA2200 y PA3200 son los más utilizados. Entre ellos el PA3200 con carga

de fibra de vidrio es unos de los materiales más comunes por su similitud a multitud de piezas

"reales" finales. Las poliamidas con carga de aluminio y carga de carbono son para

aplicaciones más específicas con un coste más elevado, por ejemplo para el sector de

la aeronáutica.

Los prototipos realizados mediante sinterizado por láser tienen un aspecto rugoso al

tacto debido al material del que están hechos.

2.8. TERMOPLÁSTICO PC-ABS

El PC-ABS es uno de los materiales más utilizados en la

industria de los termoplásticos. Ya que posee la mayoría de las

propiedades de los dos materiales de los que se compone (PC

y ABS): las propiedades mecánicas y la resistencia al calor.

Muy utilizado en la industria de automoción, electrónica y

aplicaciones de telecomunicaciones.

La temperatura de extrusión de este material es mayor que la de el ABS y eso hace que la

resistencia a la temperatura del material sea realmente interesante (125º C) para utilizarla en

aplicaciones como automoción (cerca del motor) o iluminación (lámparas que desprenden

calor).

2.9. POLICARBONATO

El policarbonato (PC) es un material muy apreciado porque ofrece una

buena durabilidad y estabilidad junto con sus excelentes características de

resistencia a la temperatura (160 ºC). En prototipado, este material se

ofrece a través de la Tecnología FDM (deposición de hilo fundido). El PC

ofrece unas características de resistencia y fiabilidad a las que no llega

ningún otro material de prototipado. Asimismo, el policarbonato ofrece

muchas mejores prestaciones que el resto de materiales fabricados con la

misma tecnología como el ABS o el PC-ABS.

Por estas razones, es un material de prototipado muy utilizado para fabricar series cortas

de piezas, utillajes para medición, transporte y validación de piezas reales. De esta forma

podemos obtener piezas unitarias o series cortas sin necesidad de pasar por la etapa de

moldes para piezas plásticas.

2.10. ABS

El ABS tiene una resistencia a temperaturas de hasta 85 ºC y unas propiedades mecánicas

que permiten utilizar prototipos realizados con este material en muchas pruebas y ensayos

funcionales para los sectores automoción, eléctrico y electrodoméstico, grandes consumidores

de este termoplástico.

Una de las características más interesantes de este material es la gran cantidad de

acabados superficiales que permite, incluso acabados de gran calidad. Por ejemplo se pueden

pulir y pintar e incluso cromar ya que el plástico ABS lo permite al conducir la electricidad.

3. TECNOLOGÍAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO

3.1. CLASIFICACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE PROTOTIPADO CON POLÍMEROS.

La siguiente tabla, muestra una clasificación de las tecnologías de prototipado rápido en

función de si sustraen o añaden material a la pieza que están generando, indicando también

que empresas emplean estos métodos

Fuente: Industries et Techniques, a partir de un documento de Dassault Aviation.

En el siguiente diagrama se muestran las tecnologías en función del estado de agregación

del polímero de partida.

Fuente: “Mecatrónica. Módulo 9: Prototipado rápido “ Prof. Dr. Edwards Chbelus 

Por último en el siguiente cuadro se combinan las dos anteriores clasificaciones

relacionando así el estado en que se suministra el material y el proceso con el que se trabaja

Fuente: “Manufactura, ingeniería y tecnología”. Serope Kalpakjian y Steven R.Schmid.

3.2. TECNOLOGÍAS MAS COMUNES EN LA ACTUALIDAD

A continuación se presenta un breve resumen de las tecnologías que más adelante se

desarrollan, estas son las tecnologías más difundidas en la actualidad:

-SLA (Estereolitografía).- Emplea un láser UV que se proyecta sobre un baño de resina

fotosensible líquida para polimerizarla. También la podemos encontrar bajo el nombre de STL.

-SOLIFORM. Tecnología muy similar a la SLA, sin embargo la resina desarrollada por

Teijin es una resina acrílica de poliuretano que presenta mejores propiedades. En esta

adquiere mayor importancia la precisión del haz del láser y las propiedades de la resina.

-SGC. Fotopolimerización por luz UV.- Al igual que en la estereolitografía, esta tecnología

se basa en la solidificación de un fotopolímero o resina fotosensible. En la fotopolimerización,

sin embargo, la solidificación de la capa es simultánea, ya que se iluminan a la vez todos los

puntos de esta con una lámpara UV de gran potencia.

-LOM. Fabricación por corte y laminado.- Una hoja de papel encolado se posiciona

automáticamente sobre una plataforma y se prensa con un rodillo caliente que la adhiere a la

hoja precedente.

-FDM. Deposición de hilo fundido.- Una boquilla que se mueve en el plano XY horizontal

deposita un hilo de material a 1 ºC por debajo de su punto de fusión de manera que este se

solidifica inmediatamente al ser depositado sobre la forma que se está generando.

-SLS. Sinterización selectiva laser.- Se deposita una capa de polvo, de unas décimas de

mm, en una cuba que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión

del polvo con el que se trabaja. Seguidamente un láser de CO2 sinteriza el polvo en los puntos

seleccionados.

-SLM Tecnología muy similar a la SLS, y a la EBM, como esta última emplea capas de

polvo metálico para ir generando las estructuras, pero en lugar de un rayo de electrones

emplea un rayo láser para fundir el metal. A veces referida como DMLS.

-3DP. Se extiende una capa de polvo sobre una plataforma en un pistón y acto seguido se

añade una solución de aglutinante sobre el polvo suelto en las posiciones adecuadas para

generar la sección transversal, formando así las distintas secciones transversales que

conforman el modelo. Este aglutinante mantendrá el polvo fijado mientras que el resto de polvo

permanece suelto.

-CNC Una serie de cabezales giratorios, controlados por ordenador van dando forma a un

bloque del material empleado, método más empleado que el resto y más económico que los

demás. Su limitación se basa principalmente en que las formas generadas no pueden ser muy

complejas.

-EBM Esta tecnología genera el modelo fundiendo capas de polvo metálico con un rayo de

electrones en el vacío. A diferencia de otras técnicas de sinterizado de metales, estas partes no

tienen vacíos y su densidad es la del metal, además son extremadamente fuertes.

3.3. ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)

La estereolitografía es un proceso de prototipado rápido que se aprovecha de la posibilidad

de estratificar resinas fotopoliméricas a través del empleo de un rayo láser, que sigue la

sección transversal de un modelo CAD, materializando así el modelo virtual en uno real de

resina solidificada.

Funcionamiento.

El proceso empieza con el elevador

situado a una distancia de la superficie del

líquido igual al grosor de la primera sección a

imprimir. El láser sigue la superficie de la

sección y su contorno.

Una vez solidificada esta sección, el elevador baja su posición para situarse a la altura de

la siguiente lámina. Se repite dicha operación hasta conseguir la pieza final. Debido a esto, la

construcción de la pieza se comienza en su parte inferior y termina en la superior. Debido a que

la resina se encuentra en estado líquido antes de que pase el láser, es necesario prever

estructuras de soporte auxiliares para sujetar aquellas partes que no son auto soportadas hasta

que se finaliza la construcción de la pieza. Para obtener unas características mecánicas

óptimas de las piezas generadas, los prototipos son sometidos a un post-curado en un horno

especial de rayos UVA.

Materiales:

Se usan resinas fotopoliméricas de diferentes propiedades que imitan las prestaciones de

los termoplásticos

• Resina blanca opaca tipo ABS especial: pudiendo realizar infiltraciones para mejorar sus

propiedades mecánicas, tanto de temperatura como de resistencia.

• Resina translúcida

Aplicaciones:

Todos los sectores industriales u oficinas técnicas de desarrollo de producto que precisen

de:

-Prototipos funcionales.

-Prototipos dimensionalmente fieles al modelo.

-Prototipos con gran nivel de detalle.

-Prototipos agradables al tacto y la vista

-Prototipos fáciles de tratar, manipular o dar acabados.

-Prototipos con acabados superficiales excelentes.

-Prototipos translucidos para apreciar posibles interferencias interiores entre piezas.

Ventajas:

-Es la tecnología más madura del mercado de prototipado rápido.

-Es rápida.

-Los prototipos son translúcidos, lo cual puede ser especialmente ventajoso para

determinados proyectos, o para detectar interferencias interiores en conjuntos complejos.

-Tiene una precisión dimensional y un acabado superficial excelentes (precisión del 2%).

-Esta técnica suele ser recomendable para piezas de dimensiones reducidas o que

contengan pequeños detalles que han de estar bien realizados.

Limitaciones:

-Usa resinas caras, de mal olor y tóxicas que deben ser protegidas de la luz para evitar que

se solidifiquen antes de ser procesadas polimerización.

-Estas pueden ser más frágiles y menos flexibles que las del Sinterizado.

-Prototipos sensibles tanto a la humedad ambiental como a la temperatura, excepto que se

especifique previamente.

-Pueden variar sus dimensiones con el tiempo.

-Necesita soportes durante la fabricación que pueden afectar al acabado superficial.

-En cuanto a las dimensiones: el espesor de las capas suele ser de 0,05mm y como los

diámetros de los láseres de trabajo están en torno a los 0,65mm no se pueden producir

espesores de pared más pequeños. Además el tamaño de la pieza está restringido a las

dimensiones de la cuba de la máquina.

Consideraciones geométricas:

-Es recomendable orientar la pieza de manera que no haya cambios bruscos en la sección

que corresponde a cada capa, evitando así el efecto escalera debido a la estratificación.

-A la hora de fabricar es importante tener en cuenta los esfuerzos que se quieran aplicar a

las piezas pues hay que evitar esfuerzos paralelos a la dirección de estratificación.

-Cuanta menos altura se utilice más económica será la pieza.

3.4. SISTEMA SOLIFORM

La compañía Teijin Seiki Co. Ltd., fundada en 1944, fabrica una amplia gama de

componentes industriales. Su sistema Soliform se basa en el proceso de laser SOMOS (Solid

Modeling System) desarrollado por Du Pont Imaging Systems.

Funcionamiento.

Soliform crea prototipos a partir de resinas. El sistema es muy similar al SLA descrito

anteriormente, con las excepciones de que la resina empleada (desarrollada por Teijin) tiene

una viscosidad de 400 poises y un módulo de flexión de 52,3 MPa, cuando habitualmente las

resinas empleadas en prototipado rápido tienen un módulo de 9,6 MPa. La otra diferencia se

encuentra en que la precisión del haz de láser y las características de la resina son de mayor

relevancia en este sistema que en el SLA.

Materiales:

-Los materiales utilizados principalmente por Soliform son fotopolímeros SOMOS,

suministrados por Du Pont, y TSR resinas (resinas de desarrollo propio).

Aplicaciones:

-Moldeo por inyección: a diferencia de los procesos convencionales, este proceso lleva

menos tiempo y necesita un menor desarrollo. Los datos CAD creados se pueden utilizar para

una matriz de producción en masa y no necesita mecanizado.

-Se usa para crear moldes por vacío en el caso de arenas de fundición.

-Creación de herramientas para moldeo de inyección de vacío.

Ventajas:

-Escaneo rápido y preciso.

-Buena precisión.

-Tiene una amplia gama de resinas de poliuretano acrílico para diversas aplicaciones.

Limitaciones:

-Requiere soportes estructurales. Para fabricar estructuras con voladizos es necesario

diseñar y crear estructuras auxiliares de soporte durante el proceso.

-Requiere de post-procesamiento para eliminar los soportes y materiales no deseados, lo

cual puede dañar el modelo y lleva tiempo.

-Requiere post-curado.

3.5. SOLID GROUND CURING (SCG)

La tecnología Solid Ground Curing (SGC), nacida de la empresa israelí Cubital en 1991 se

basa, al igual que la estereolitografía, en la solidificación de un fotopolímero o resina

fotosensible. Pero a diferencia de en el sistema SLA, en este sistema la solidificación de cada

capa es simultánea dado que se irradia toda ella a la vez con una lámpara de UV muy potente,

el proceso de curado de cada capa lleva de 2 a 3 segundos.

Funcionamiento.

Primeramente se genera un modelo CAD dividido por capas para lo cual se puede utilizar

software Data Front EndR (DFER). Con este modelo para cada capa se genera una máscara.

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-Se pueden generar varias piezas a la vez.

-Rara vez se requiere soporte, gracias a la cera.

-Las piezas generadas no presentan efecto de contracción.

-Presentan gran resistencia y alta estabilidad estructural.

-No se necesita proceso de post-curado.

-Es capaz de generar partes muy complicadas fácilmente.

-Se puede interrumpir el proceso y borrar las capas erróneas.

Limitaciones:

-El equipo es más caro y pesado, pudiendo llegar a los 400.000€ y las cinco toneladas.

-Conlleva mayor complejidad, lo que supone tener personal cualificado supervisando el

proceso en todo momento.

-En la fabricación se pueden producir virutas de cera que deben ser limpiadas de la

máquina, impidiendo que se cuelen en huecos o grietas de la pieza.

-En el proceso de fabricación se puede llegar a generar un nivel de ruido muy superior al

de otros procesos.

3.6. LAMINATED OBJECT MANUFACTURING (LOM)

Esta tecnología se basa en pegar y recortar láminas de papel. La parte inferior del papel

tiene una capa adhesiva que cuando es presionada y se le aplica calor hace que se pegue con

el folio anterior. El folio es recortado siguiendo el contorno de la sección de la pieza.

Funcionamiento.

La técnica LOM es un proceso automatizado que genera una pieza tridimensional, basada

en una representación CAD, por laminación secuencial de láminas transversales.

Cubic Technologies ofrece dos modelos que funcionan con láser de CO2, uno a 25W y otro

a 50W. El sistema óptico consta de espejos que proporcionan el haz de láser sobre la

superficie de trabajo a través de una lente focal que lo enfoca con un tamaño aproximado de

25mm. El corte del láser es controlado por una mesa de posicionamiento en el plano XY.

El proceso de fabricación consta de tres partes:

- La generación del fichero CAD-STL.

- Construcción: En la fase de construcción, las capas finas de adhesivo recubierto con

material son unidos el uno al otro siendo

previamente cortados por el rayo láser.

El láser corta el perímetro de cada

sección, definido según el modelo CAD,

liberándose después de esto lo que se

encuentra dentro de los límites cortados

de la hoja de material que se había

puesto. La plataforma con la pila de

capas desciende y una nueva sección

de materiales avanza. Vuelve a

ascender la plataforma y el material

calentado se superpone para ir

uniéndose a la pieza repitiendo el

proceso.

- Finalmente se separa del material de apoyo.

El factor temperatura es crítico y ha de mantenerse constante a lo largo del proceso por lo

que la maquinaria dispone de un circuito cerrado que asegura este condicionante.

Materiales:

-Cualquier material en lámina con adhesivo puede ser usado para esta tecnología, sin

embargo el más usado es el papel Kraft con un polietileno termosellable, por su precio

económico y gran disponibilidad.

Aplicaciones:

-Permite ver la forma la forma final, el tamaño y la función de los prototipos así como

producir un pequeño volumen de productos terminados para un amplio abanico de industrias

como la aeroespacial o la de automoción.

-Se suele usar para visualizar un producto en sus dimensiones exactas, lo cual permite

tener una réplica real del producto realizando pruebas de consumo, introducción en su

comercialización, muestras de embalaje, etc.

Ventajas:

-Se pueden usar una amplia variedad de materiales de partida, los cuales pueden variar en

tipo o espesor de la lámina permitiendo así una amplia variedad de precisiones y necesidades

funcionales.

-Reduce el tiempo de fabricación para piezas grandes y voluminosas ya que el láser no

recorre toda la superficie de cada sección transversal, solo recorre su periferia, de manera que

no importa el grosor de las paredes de la pieza si no la longitud del perímetro de estas, siendo

por tanto igual en tiempo de fabricación una pieza de gran grosor a otra con paredes muy

delgadas si el perímetro de ambas es el mismo.

-Alta precisión. Funciona en valores inferiores a 0,127mm. No presenta problemas de

contracción, tensiones residuales internas o deformación.

-No tiene necesidad de soporte adicional ya que la parte en construcción se puede apoyar

fuera de la periferia de la parte construida, la cual actúa como soporte.

Limitaciones:

-La potencia del láser de corte necesita ser controlada con precisión para que solamente

se corte la lámina sobre la que se está trabajando y no las de debajo que ya han sido cortadas.

-No está recomendada para la construcción de piezas con láminas muy delgadas ya que al

retirar el prototipo del soporte es muy posible quebrarlo.

-Hay que tener en cuenta que estos prototipos están construidos por láminas unidas por

adhesivo por lo que su integridad estructural depende de la fuerza del adhesivo.

-La eliminación de los soportes es la parte más laboriosa, cuando la pieza ha de ser

separada del bloque rectangular de material laminado. La persona que la realiza ha de ser

consciente de las partes delicadas dentro del modelo a fin de no dañarlo.

3.7. FUSED DEPOSITION MODELLING (FDM)

Modelado por deposición de hilo fundido, FDM, es la tecnología de prototipado rápido más

usada después de la estereolitografía.

Funcionamiento. 

Un filamento de plástico se desenrolla de una bobina y

abastece de material a una boquilla de extrusión. La

boquilla se alimenta con un filamento de un tamaño

alrededor de 1,25mm que es calentado a una temperatura

entre 0,5-1 ºC por debajo de la temperatura de fusión del

material. La boquilla está montada en un soporte con

movilidad en el plano XY.

Conforme la boquilla se mueve siguiendo la geometría

de la pieza definida por la sección del modelo CAD, va

depositando una fina capa del material extruido, de manera

que va formando la capa. Tras ser depositado, el plástico

se endurece rápidamente dando así forma a la nueva capa, que se adhiere a la anteriormente

formada. La pieza y todo el sistema han de estar dentro de la una cámara con la temperatura

controlada de manera que esta sea constante y justo por debajo de la temperatura de fusión

del plástico que se esté empleando.

El cabezal va imprimiendo capa a capa hasta completar el modelo. Para sustentar las

partes en voladizo o no auto sustentadas, se generan columnas auxiliares extruyendo otro

material que será fácil de eliminar posteriormente, por ejemplo disolviéndolo en agua. De esta

forma se obtienen prototipos funcionales realizados en materiales termoplásticos, excelentes

para ensayos y montajes y dependiendo del material extruido, algunos modelos con resistencia

a altas temperaturas (200 ºC).

El tamaño de las capas pueden regularse (dependiendo de la máquina y el material) desde

0,127mm hasta 0,33mm de espesor.

Materiales:

-El ABS ofrece una resistencia adecuada y recientemente se han introducido materiales

como el policarbonato, mezclas PC-ABS y polifenilsulfona, los cuales aumentan la capacidad

del método en cuanto a resistencia y rango de temperatura, también se emplean metales

eutécticos, porcelana e incluso es posible aplicar esta técnica con materiales comestibles. 

Aplicaciones:

-Prototipos creados para conceptualización y presentación. Debido a que el prototipo

generado por este método se puede tratar y trabajar, el modelo presentado puede tener un

aspecto muy similar a lo que será el producto final.

-Prototipos para pruebas funcionales. Los creados con ABS pueden llegar a presentar un

85% de la resistencia del producto real.

Ventajas:

-Genera piezas con alta precisión, reflejando fielmente el diseño, tanto en tolerancias de

forma, como dimensionales. Campos de tolerancia máxima de 0,1 mm en 400mm de longitud.

-Los prototipos creados no se deforman y poseen muy buenas características mecánicas,

para realizar ensayos funcionales, montajes, etc.

-Se realiza con materiales con excelentes resistencias a la temperatura desde 85 ºC hasta

220 ºC

-Aptos para pintar, cromar, mecanizar.

-Las piezas son menos pesadas que, por ejemplo, en la estereolitografía.

-Su velocidad relativa y bajo coste, permite hacer pequeñas series.

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reflejado mediante espejos sobre el polvo. Este laser realiza el aporte de energía necesaria

para fundir las partículas de polvo logrando que estas se unan las unas a las otras.

La generación de las sucesivas capas se realiza a través de un proceso de alimentación de

polvo, un pistón o un depósito dejan polvo en la superficie y un rodillo se encarga de extender

esta nueva capa de polvo sobre la pieza, que ha bajado convenientemente la distancia de la

nueva capa, de manera que el rodillo deja una nueva capa uniforme de polvo del tamaño

adecuado. Este proceso se repite una y otra vez hasta estar la figura terminada.

Al emplear polvo en lugar de líquido no es necesario crear estructuras de soporte, con lo

que se pueden apilar las piezas, realizando varias a la vez.

Materiales:

-Poliamidas aunque también es muy usada con policarbonato, nylon, ABS…

-Pueden llevar carga de fibra de vidrio o de aluminio.

Aplicaciones:

-Se utiliza en la industria aeroespacial, automoción, implantes dentales…

-Normalmente se usa como una parte de la producción sin herramientas, formando

tanques de combustibles, tableros de control y para productos que requieran certificación

aeronáutica, modelos arquitectónicos, clips, soportes, grapas, ojales, etc.

Ventajas:

-Resistencias a temperaturas más elevadas que en el caso de la estereolitografía.

-Posibilidad de añadir cargas de vidrio, hasta un 30%.

-En el caso de usar poliamida sus características mecánicas serán, en muchas ocasiones,

próximas a las que corresponderían al modelo definitivo.

-Posibilidad de montaje y desmontaje de piezas en la fase de prueba.

-Dado que la materia prima se encuentra en estado sólido (se trata de mircoesferas), no es

necesario generar columnas que soporten al elemento mientras se está creando, y por ello no

hay limitaciones a la rotación de la pieza. Además evita la necesidad de eliminar estas

estructuras posteriormente.

-El láser que se utiliza es poco potente (de 25 a 50W).

-No precisa de procesos de post-curado ni de eliminación del material sobrante.

-Presenta buenas precisiones.

Limitaciones:

-El proceso térmico al que está sometido hace que los cambios, la posición de las piezas y

cualquier variación mínima durante el mismo sean muy críticas.

-Superficie porosa y necesidad de tamizar los polvos sobrantes para eliminar glóbulos

gruesos.

-Tolerancia dimensional difícil de controlar, depende mucho de los espesores de pieza y el

proceso de transformación.

-La cámara en la que se generan las piezas se encuentra a una temperatura elevada

(aprox. 1 ºC por debajo de la de sinterizado), por lo que es necesario calcular correctamente la

orientación de la pieza para evitar diferencias de temperatura que podrían torsionar la pieza,

sobre todo en paredes de poco grosor o en superficies planas grandes, las cuales deberían de

ser generadas partiendo de una sección pequeña, mediante unas rotaciones adecuadas.

-Se requiere una atmósfera inerte rica en nitrógeno.

-Es un proceso lento.

Consideraciones geométricas:

-Tamaño de las piezas:

Se pueden hacer piezas más grandes cortándolas en trozos y pegándolas

posteriormente.

La fabricación es en capas de 0,15mm. El diámetro del láser es de 0,65mm por lo

que detalles con espesores más pequeños no pueden ser reproducidos.

-La orientación de la pieza ha de ser la más adecuada para que se enmascare lo más

posible el efecto escalera.

3.9. SELECTIVE LASER MELTING (SLM)

La fundición selectiva por láser, es una tecnología que genera prototipos 3D a partir de

modelos de un programa de CAD, es muy similar a la tecnología SLS pero en lugar de

sinterizar polvos de plásticos o polímeros, la energía del láser se emplea para fundir polvos

metálicos, a veces se la denomina como direct metal laser sintering ( DMLS).

Funcionamiento:

El funcionamiento de este proceso es idéntico al del SLS, con la excepción de que las

capas tienen unos espesores que van de 20 a 100 micrómetros, dependiendo de la potencia

del láser y la máquina.

La atmosfera en la que se realiza el proceso es una atmósfera inerte de nitrógeno o argón

con concentraciones de oxígeno que han de estar por debajo de las 500 ppm.

En este proceso la temperatura de la cámara se encuentra justo por debajo de la de fusión

del metal, y el láser es el encargado de fundir, en lugar de sinterizar, los polvos metálicos,

creando así una cohesión entre ellos, todas las capas están soldadas unas a otras.

Materiales:

-Esta tecnología se emplea con casi cualquier material metálico o aleación metálica,

principalmente con acero, aluminio, titanio y cobalto. Todos los materiales con los que se

realice este proceso han de poder estar atomizados para el correcto funcionamiento del mismo.

Aplicaciones:

-Generación de geometrías complejas con huecos ocultos o canales.

-Empleado en muchas industrias como la de automoción, aeronáutica, permitiendo piezas

más ligeras imposibles de fabricar con métodos convencionales o médica, por ejemplo para la

creación de implantes y prótesis metálicas.

Ventajas:

-Posibilidad de montaje y desmontaje de piezas en la fase de prueba.

-Dado que la materia prima se encuentra en estado sólido (se trata de mircoesferas), no es

necesario generar columnas que soporten al elemento mientras se está creando, y por ello no

hay limitaciones a la rotación de la pieza. Además evita la necesidad de eliminar estas

estructuras posteriormente.

-Permite crear piezas complejas de una vez, ahorrando así la necesidad de soldaduras o

remaches que son puntos débiles, especialmente interesante esto en partes sometidas a

exigencias elevadas de temperaturas.

Limitaciones:

-La cámara en la que se generan las piezas se encuentra a una temperatura elevada

(aprox. 1 ºC por debajo de la de sinterizado), por lo que es necesario calcular correctamente la

orientación de la pieza para evitar diferencias de temperatura que podrían torsionar la pieza,

sobre todo en paredes de poco grosor o en superficies planas grandes, las cuales deberían de

ser generadas partiendo de una sección pequeña, mediante unas rotaciones adecuadas.

-Se requiere una atmósfera inerte rica en nitrógeno.

-Es un proceso lento.

- Las piezas generadas son más débiles que aquellas creadas por procesos

convencionales como fundición o mecanizado.

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Aplicaciones:

-Se usa en arquitectura, en la industria de la construcción, en educación, ingeniería

geoespacial, fabricación de moldes de arena complejos para verter metal fundido, ciencia,

medicina, ocio y consumo al por menor.

-Su uso habitual es en:

Modelos conceptuales. Una pieza típica puede imprimirse en unas pocas horas.

Los modelos conceptuales son una parte crítica del proceso de diseño en todos los

sectores, desde la automoción y el calzado hasta el sector aeroespacial.

Pruebas de funcionamiento. Verificación de la forma, el ajuste y la función de los

diseños antes de la producción a escala completa. Se puede verificar el ajuste de

la pieza, realizar pruebas en el túnel de viento, probar su rendimiento mecánico…

Puede mostrar los datos de análisis de elementos finitos en color directamente

sobre la pieza. Mejora la colaboración entre los equipos del proyecto y posibilita la

identificación de los defectos de diseño con mayor celeridad.

Modelos de presentación. Comunica de forma clara el producto, pudiendo llevar a

cabo revisiones basadas en las opiniones de los clientes potenciales.

Desarrollo de embalajes. Hace más eficiente el proceso de diseño para los

embalajes de plástico y cristal empleados en los productos de consumo, productos

sanitarios, productos químicos, bebidas y productos de automoción.

Ventajas:

- Alta velocidad. Es capaz de generar una pieza en 1 o 2 horas.

- Versatilidad. Las piezas se utilizan en un amplio campo: automoción, industria

aeroespacial, medicina…Las piezas pueden ser infiltradas si es necesario, ofreciendo una

amplia gama de piezas.

-Fácil de usar. El sistema 3DP es sencillo de manejar y no requiere de un técnico

especializado.

-No se desperdicia material. La mayor parte del material que no se imprime puede ser

reutilizado en un nuevo ciclo de fabricación tras ser aspirado.

-Acabado en color. Permite una fabricación con esquemas complejos de color, el

correspondiente a una paleta de colores de 24 bits.

Limitaciones:

-Capacidad limitada en pruebas funcionales. Genera unas piezas más débiles que las

obtenidas con SLS.

-Hay cavidades en las que puede resultar muy difícil eliminar el polvo.

3.11. CNC

Las tecnologías convencionales de fabricación por CNC también se emplean ampliamente

en la fabricación de prototipos metálicos, con la excepción de aquellos con geometrías muy

complejas para las máquinas o los que han de fabricarse en metales demasiado duros para las

herramientas de corte.

Funcionamiento.

Los centros de mecanizado con gran versatilidad, empleados en la producción de series

pequeñas y de gran variedad también se emplean en RP.

A partir de un fichero CAD, se cargan en la máquina los datos de la pieza a fabricar, y las

herramientas que se han de emplear.

A partir de ahí la máquina siguiendo las instrucciones del programa, va retirando virutas del

bloque metálico de partida con distintas herramientas giratorias como brocas, fresas,

cepillos….

Han de tenerse muy en cuenta las velocidades de corte y de giro de las herramientas, así

como la de avance. También es muy importante una correcta refrigeración de la pieza y las

herramientas que además ayuda a la retirada de la viruta sobrante.

Materiales.

-Principalmente metales lo suficientemente blando como para poder ser mecanizado por

las herramientas disponibles, últimamente, gracias a las nuevas herramientas es posible

mecanizar una gran variedad de aceros, pero también se puede mecanizar cualquier otro

material que cumpla con los requisitos de dureza y tenga cierta tolerancia a la temperatura.

Aplicaciones.

-Fabricación de prototipos y series de productos en la mayoría de las industrias existentes

hoy en día.

-Fabricación de prototipos con las mismas propiedades que el producto final.

Ventajas.

-Es un método de fabricación ampliamente extendido, por lo que está muy estudiado y se

conocen sus limitaciones.

-La maquinaria necesaria es más barata y asequible que la de los procesos anteriores al

ser un proceso muy empleado hoy en día.

-Los prototipos generados tienen muy buen acabado final y el material no cambia sus

dimensiones como en otros procesos.

-El prototipo puede ser tratado y darle otro tipo de acabados.

-Mucho más rápido que los procesos anteriormente descritos, sobre todo con piezas de

geometría simple y gran volumen.

Limitaciones.

-No es posible generar geometrías complejas o con vaciados interiores debido a que en

esas partes las herramientas no pueden entrar, por lo que generalmente solo puede ser usado

para piezas con geometrías simples donde las herramientas no tengan problemas de acceso.

-No es posible generar prototipos en metales de excesiva dureza, como el wolframio.

-En metales como el titanio con muy mala conductividad térmica hay que diseñar muy bien

la refrigeración.

-Los utillajes que sujetan la pieza al banco de trabajo han de ser diseñados

cuidadosamente para no interferir en el camino de las herramientas.

3.12. ELECTRON BEAM MELTING (EBM)

El fundido por haz de electrones (EBM) es un tipo de prototipado rápido empleado con

metales, también puede clasificarse como un método de fabricación rápida.

Esta tecnología crea las piezas fundiendo polvo metálico capa a capa con un haz de

electrones en el vacío. A diferencia de otras tecnologías de sinterizado metálicas, con esta

tecnología se obtienen piezas con propiedades prácticamente iguales a las del metal con que

han sido creadas (densidad, resistencia….) y sin ningún vacío.

Esta tecnología fue desarrollada por AcamAB en Suecia.

Funcionamiento.

Este método de fabricación crea piezas completas de metal directamente de polvo

metálico, obteniendo unas características muy similares a las del material del que se parte.

La máquina de EBM va creando las distintas capas de la pieza a partir de un archivo CAD,

y al igual que en el SLS o SLM, la máquina pone una capa de polvo metálico y la funde, pero

en lugar de emplear un rayo láser emplea un haz de electrones. El proceso tiene lugar en una

cámara de vacío para poder fabricar piezas de metales con una alta afinidad al oxígeno (por

ejemplo titanio).

El polvo metálico que se emplea para este proceso, está compuesto de granos de polvo de

la misma aleación con la que se quiere fabricar la pieza, es decir que no lleva ningún tipo de

aditivo. Por este motivo las piezas fabricadas mediante EBM no requieren ningún tratamiento

térmico adicional para obtener las propiedades mecánicas finales en la pieza.

El proceso tiene lugar a un rango de temperaturas de entre 700 y 1000 ºC, lo que da lugar

a piezas libres de estrés residual y elimina la necesidad de tratamientos térmicos posteriores.

Materiales.

-Principalmente se emplean aleaciones de titanio.

Aplicaciones:

-En el sector médico es una tecnología muy empleada a la hora de crear implantes de

titanio.

-En el sector aeroespacial también es una tecnología muy empleada, por ejemplo en la

creación de álabes de turbina para motores de una aleación gamma de titanio y aluminio (γ-

TiAl).

-Es empleada también en otras aplicaciones con una demanda elevada en cuanto a las

características de la pieza obtenida.

Ventajas.

-Velocidad de fabricación más elevada (hasta 80cm3/h) que las de otras tecnologías como

el SLM gracias a la mayor energía del haz de electrones.

-No hay necesidad de aplicar tratamientos térmicos posteriores gracias que las piezas se

obtienen con las características mecánicas de la pieza final y sin estrés o esfuerzos debidos al

proceso de fabricación.

-Los grosores mínimos de cada capa que permite son de hasta 0.05 mm con unas

tolerancias de hasta +/-0.2mm.

4. SITUACIÓN ACTUAL Y FUTURO DEL PROTOTIPADO RAPIDO

Las tecnologías de prototipado rápido, están comenzando a asentarse en las industrias,

sobre todo aquellas que necesitan crear piezas muy complejas en series pequeñas o que

requieren crear piezas nuevas en poco tiempo para testarlas.

Estas son algunos de los sectores industriales en los que tienen mayor impacto:

• Ingeniería. En ingeniería se realizan constantemente pruebas de calidad y ensamblaje,

las cuales son simplificadas mediante la utilización de maquetas y modelos que permiten

realizar todas las pruebas que se necesitan para certificar el producto.

• Arquitectura. Las técnicas de creación de maquetas son muy limitadas. En algunos

proyectos es interesante imprimir copias de las maquetas o del modelo para poder hacer test

de aceptación por parte del cliente final.

• Topografía. En ciertas construcciones o reproducciones complejas de superficies, ya

sean naturales o artificiales, el prototipado rápido se posiciona como una tecnología que

simplifica enormemente la tarea de obtener un modelo 3D.

• Packaging. Todas aquellas empresas que diseñan los envases o paquetes en los que va

a ir contenido o envuelto un determinado producto, se sirven de estas tecnologías debido a la

facilidad para crear prototipos de los envases y testar su aceptación y funcionamiento.

• Electrodomésticos. En la industria del electrodoméstico, el prototipado se emplea tanto

para crear modelos 3D de los productos a escala, para introducirlos en el mercado o comunicar

la idea, pero también se emplea para testar ciertas partes.

• Educación. Sirve para construir objetos, hechos a medida y útiles pedagógicos como

pueden ser maquetas del cuerpo por ejemplo o utensilios para niños con ceguera parcial.

• Modelado molecular. La forma y la geometría lo son todo en química molecular. Se

pueden producir de forma rápida y económica docenas de iteraciones moleculares que pueden

manipularse físicamente para entender sus interacciones.

• Diseño de interiores, muebles, calzado…

El prototipado rápido facilita la comunicación de ideas al cliente por parte del vendedor, por

lo que se obtiene una mayor satisfacción por parte del cliente.

• Modelado para medicina. En medicina la posibilidad de crear implantes o modelos finales

para luego crear el implante por otra tecnología, facilita enormemente al tarea, ya que no hay

dos implantes iguales, por lo que las tecnologías de prototipado rápido son una excelente

solución.

Finalizando el análisis de esta tecnología relativamente nueva, se puede prever que tendrá

un gran impacto en los sectores industriales ya citados y probablemente en caso de abaratarse

más, cosa que ya está sucediendo, las tecnologías de impresión 3D comiencen a introducirse

en el ámbito cotidiano y estar disponible así para la mayoría de usuarios la posibilidad de

construir o fabricar sus propios modelos o ideas, propiciando la innovación y la creación de

modelos mejorados y adaptados a las necesidades particulares de cada uno.

5. BIBLIOGRAFÍA

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