Fabricacion Rapida de Prototipos (Rapid Prototyping) - Parte 3

Aplicaciones de la tecnología de prototipo rápido
La tecnología RP es muy utilizada en la industrias automotriz, aeroespacial, medica, etc. A pesar de que las posibles aplicaciones son virtualmente infinitas, casi todas entran en tres categorías: prototipado, rapid tooling o rapid manufacturing


Prototipado
Como su nombre lo indica, el principal uso de las tecnologías RP es para crear rápidamente prototipos para fines de comunicación y ensayo. Los prototipos mejoran drásticamente el proceso de diseño. Estas mejorías reducen tiempos y costos.
Los prototipos también son útiles para las etapas de testeo para verificar si el sistema cumple con las especificaciones requeridas. Permiten realizar testeos iterativos de manera mas rápida. Por ejemplo, Porsche utilizo un modelo estereolitografico transparente de la cubierta de transmisión para estudiar visualmente el flujo de aceite.


Fabricación rápida de herramientas y moldes
Otra aplicación de las tecnologías RP es la construcción rápida de herramientas. La construcción de herramientas es una de las etapas mas lentas y caras en el proceso de manufactura debido al alto nivel de calidad requerido. Las herramientas usualmente presentan geometrías complicadas y deben mantener un alto grado de precisión.
La construcción de herramientas usando RP puede dividirse en dos categorías: construcción indirecta y construcción directa.


Construcción indirecta
Las piezas son usadas como patrones para moldes y estampas. Los patrones pueden luego utilizarse en diversos procesos como,
• Vacuum Casting
• Sand Casting
• Investment Casting
• Injection molding.


Construcción directa
La construcción directa de herramientas y moldes esta todavía en etapa de desarrollo.
Actualmente se utiliza el fusionado láser para crear moldes y herramientas metálicas a partir de modelos CAD.


Fabricación rápida de productos finales
Una extensión natural de las tecnologías RP es la fabricación rápida de piezas finales. Actualmente se fabrican pocos productos finales mediante RP y en general solo tiene sentido para producciones de baja cantidad. Pero en esos casos, resulta muy económico ya que no necesita fabricación de herramientas. RP es ideal para producir piezas personalizadas que cumplan con las especificaciones exactas de un usuario.


Aplicaciones médicas
Los procesos de prototipado rápido impactaron en varios aspectos de la medicina.


Prótesis e implantes
Hasta hace no mucho, los reemplazos de cadera y otras cirugías parecidas eran llevadas a cabo mediante piezas de tamaño estandarizado fabricadas en base a datos antropomorfos. Esto no funciona en casos con requerimientos especiales. Los procesos de prototipado rápido proveen una solución haciendo posible fabricar prótesis personalizadas a un costo razonable. Afortunadamente las técnicas de imágenes como las tomografías computadas también se basan en capas. Esto permite que las imágenes se utilicen como datos de entrada para los procesos de fabricación. El caso de prótesis de cadera esta muy desarrollado. Se utiliza el proceso de FDM para fabricar un modelo plástico y este funciona de patrón de fundición para el implante de titanio.


Planificación de cirugías y aplicaciones científicas
Se utilizan procesos de prototipado rápido durante la planificación de operaciones complicadas, generalmente craneofaciales y maxilofaciales. Muchas veces se utilizan las piezas como modelo preciso para la practica. El proceso mas elegido es la estereolitografía.


Tendencias
Los procesos rápidos de construcción de prototipos tienden a abaratarse y mejorar su exactitud simultáneamente. Hoy en día la mayoría de los programas de CAD tienen la capacidad de adaptarse a los procesos de prototipo rápido.
Estas tecnologías se aplican cada vez mas en los procesos de diseño y desarrollo.
Se están investigando en varias direcciones con el fin de mejorar la tecnología RP.
Algunas de estas son,
• Aumento de la velocidad de fabricación
• Aumento de la precisión y terminado superficial
• Incorporación de nuevos materiales poliméricos
• Extensión a materiales no poliméricos
• Aumento en los tamaños posibles.


Bibliografía
- Serope Kalpakjian, Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Education
- Hugh Jack, Engineering Manufacturing Processes, Engineer on a disk
- Lyndon Edwards, Manufacturing with materials, Open University
- ASM Metals Handbook Vol 20, Material Selection And Design
- Castle Island’s Worldwide Guide to Rapid Prototyping
- William Palm, Rapid Prototyping Primer
- Rapid Prototyping, Wikipedia the free encyclopedia

Fabricacion Rapida de Prototipos (Rapid Prototyping) - Parte 2

Procesos


Modelado por deposición de material fundido
Uno de los principales sistemas de prototipado por aditivo es el modelado por deposición de material fundido o FDM. Fue desarrollado por Scott Crump y vendido por Stratasys desde 1991. Consta de una mesa con movimiento vertical y un cabezal automatizado en dos movimientos planos ortogonales. El cabezal funciona como extrusor, alimentado por un filamento de material termoplástico de aproximadamente 1mm y calentándolo hasta derretirlo. Cada sección o capa de la pieza se construye depositando este material sobre una base. Una vez completada la capa, la mesa baja para continuar con la siguiente.

La cámara se mantiene a una temperatura justo por debajo del punto de fusión del polímero y entonces se necesita poca energía para derretirlo.

En algunas ocasiones debe tenerse en cuenta la necesidad de usar soportes durante la construcción de las piezas. Estos soportes se realizan con menos densidad de material de forma tal que luego pueden removerse fácilmente.

 Actualmente se estudian nuevos materiales poliméricos como el ABS que presenta ventajes en el pegado entre capas. además, se están desarrollando soportes solubles en agua que pueden removerse simplemente remojando la pieza.
El costo de las maquina de FDM se encuentra entre 30.000 y 150.000 dólares, dependiendo del tamaño máximo de las piezas que se pueda construir.

Estereolitografía
Esta técnica fue inventada por Charles Hull en 1984 y hoy en día es desarrollada por 3D Systems Inc. Consiste en usar un rayo de luz ultravioleta para curar un fotopolímero, es decir, endurecer un polímetro sensible a la luz. Una plataforma sumergida en un deposito tiene la capacidad de moverse verticalmente y el rayo UV dibuja sobre una pequeña capa la sección a construir. El material recorrido endurece formando el sólido.
A continuación la plataforma baja, dejando otra capa para la sección siguiente.
En este proceso, a veces también es necesario utilizar soportes para estabilizar superficies sobresalientes.

 

El sobrante de material liquido se puede utilizar en un próximo prototipo.
Luego de construida la pieza se la limpia y termina de curar en un horno mediante luz intensa (Post- Curing Apparatus). La estereolitografía es considerada el proceso de mayor precisión y mejor acabado superficial.
El láser tiene del orden de 100-200 mW, necesitándose mas potencia para obtener mayor velocidad. Los depósitos pueden contener entre 20 y 200 litros.
 El fotopolímero es tóxico, por lo que las operaciones se hacen fuera de la vista y necesita ventilación
para evacuar humos.
Entre las ventajas de este proceso se puede nombrar:
• puede realizarse sin supervisión
• gran nivel de detalle y precisión
• se pueden pegar piezas construidas por separado
Entre las desventajas:
• necesita un curado posterior
• el polímetro se contrae durante el endurecimiento
• los químicos son tóxicos
• el costo de los químicos es alto, ente 100 y 200 dólares el litro
• generalmente se necesitan soportes
En general, este proceso se utiliza para modelos conceptuales, debido a que el polímetro es inherentemente frágil. Sin embargo, se puede utilizar también como modelo para colada. Actualmente se investiga el agregado de fibras para aumentar la resistencia y tenacidad del material.
El costo de las maquinas de estereolitografía es del orden de 100.000 a 400000 dólares.

Fusión Láser
El fusionado láser permite fabricar piezas metálicas densas con buenas propiedades mecánicas a velocidades razonables. Fue desarrollado por varias universidades y laboratorios de Estados Unidos y Europa y actualmente lo comercializa Optomec Design Corp. entre otros.
Se utiliza un láser de gran potencia para derretir polvos metálicos que se suministran coaxialmente al foco del rayo. Una mesa con movimiento en dos ejes desplaza la pieza para crear cada capa.

Pueden usarse materiales como acero inoxidable, cobre, aluminio o titanio.
La potencia del láser varia según el material entre uno cuantos cientos de watts a 20KW. Las piezas terminadas generalmente necesitan un maquinado final.

Sinterizado selectivo con láser
Este proceso, denominado SLS e inventado por Carl Deckard en 1986, se basa en sinterizar polvos en forma selectiva para construir una pieza. Consta de dos plataformas, una de alimentación de polvo y la otra de formación de la pieza. Un sistema de rodillo se encarga de depositar sobre la plataforma de formación el polvo. El sinterizador consiste en un rayo láser infrarrojo automatizado que cubre la sección que resultara sólida. La cámara esta sellada y se mantiene a una temperatura justo por debajo del punto de fusión del polvo. Luego el resto del polvo sobrante debe ser extraído y puede reutilizarse. La pieza debe dejarse enfriar en la maquina y si se trata de grandes dimensiones, esta etapa puede durar hasta dos días.

En este proceso no se necesitan soportes ya que la cama de polvo cumple ese rol. No se necesitan curados posteriores, pero debido a que el objeto es sinterizado puede ser poroso. Dependiendo de la aplicación, puede ser necesario infiltrar la pieza con otro material para mejorar las propiedades mecánicas.
La gama de materiales que pueden utilizarse con este proceso es amplia incluyendo polímetros, ceras, metales y cerámicos. De la elección del material depende la potencia necesaria del láser, por lo que en general se utilizan polímeros.
Actualmente, la empresa que lidera el mercado en DTM corp. y las maquinas cuestan entre 250.000 y 500.000 dólares.
Se están realizando investigaciones sobre nuevos materiales y lásers mas potentes para polvos metálicos.

Sinterizado con aglutinante – Impresión 3D
Este proceso fue desarrollado en el MIT y se muestra esquemáticamente en la Figura 10. Consiste en distribuir un polvo sobre una superficie y luego aplicar selectivamente un adhesivo para endurecer la sección deseada. Esto se realiza secuencialmente moviendo los pistones, hasta que la pieza se completa.

Una ventaja de este proceso es que las piezas pueden colorearse durante el proceso, mediante tinturas. Además, el polvo sin endurecer funciona como soportes y elimina la necesidad de usar soportes externos.
Al terminar la pieza, el polvo sin endurecer se quita fácilmente y se puede utilizar en una impresión posterior.
Otras ventajas pueden ser
• económico
• rápido
• logra geometrías complejas
• adecuado para uso de escritorio
• adecuado para modelos para fundir
El nombre de este proceso, en el mercado, es impresión 3D, o 3DP y actualmente es desarrollado por varias compañías como Z Corp., Soligen, ProMetal y Therics.


Curado en base solida
Este proceso, desarrollado en 1987 por Cubital Inc. en Israel, consiste en la fabricación de una mascara de vidrio que cubre una delgada capa de polímero fotorreactivo. Para la fabricación de la mascara se la carga selectivamente y se la recubre con un material opaco, en forma parecida a la fotocopiadora. El polímero se endurece en las zonas expuestas mediante el uso de una luz UV. El polímetro sin curar se retira y se lo reemplaza por cera liquida, que al contacto con la superficie fría endurece. A continuación se maquina la capa para lograr el espesor correcto y la planitud deseada. Este proceso esta más optimizado en tiempos que los nombrados anteriormente, sin embargo, resulta de los mas costosos.
Alguna de sus ventajas son,
• no necesita tiempo de curado posterior
• puede interrumpirse un trabajo, realizar otro y luego terminar el primero
• no se necesitan soportes ya que la cera realiza esa tarea
Los precios de las maquinas rondan entre 275.000 y 400.000 dólares.

Manufactura con partículas balísticas
Este proceso, desarrollado por BPM Tecnology, se asemeja en mucho a una impresora de chorro de tinta. Uno o varios cabezales arrojan un chorro de material plástico, cerámico, metal o cera, hacia una superficie. Las gotitas son del orden de 50μm y se lanzan con una frecuencia de 10.000 Hz. Los cabezales están automatizados y se mueven en dos ejes mientras que un elevador mueve la pieza verticalmente. Luego de completada una sección otro cabezal uniformiza el ancho.

Fabricación de objetos laminados.

Fue desarrollado por Michael Feygin en 1985 y llevado al mercado por Helisys.
Estos procesos consisten en pegar sucesivamente capas de papel o plástico con un pegamento térmico en el medio. Luego las formas deseadas se queman con un láser.

 Debido a los materiales utilizados, son procesos económicos, orientados al prototipado de escritorio, y no se prestan a operaciones de manufactura posterior.
Diferentes compañías utilizan diferentes tecnologías. La empresa Kira, por ejemplo, utiliza una cuchilla en vez de un láser y aplica el adhesivo utilizando el proceso xerografico.