ESTADO ACTUAL DEL PROTOTIPADO RÁPIDO Y FUTURO DE ÉSTE.

Eugenio Lázaro Cañedo-Argüelles. Sistemas Informáticos/ Esc. Téc. Sup. de Ingeniería ICAI. Universidad Pontificia Comillas - Madrid c/ Quintana, 21-23. 28015 - Madrid e_mail: e_lazaro_ca@einf.upco.es; Tfno.: 91-548-44-07; Fax.: 91-541-18-60. Manuel Domínguez Somonte. Ingeniería de Construcción u Fabricación Universidad Nacional de Educación a Distancia/ Esc. Téc. Sup. de Ingenieros Industriales. Apartado de Correos 60.149/ 28080 - Madrid madom@cu.uned.es; Tfno.: 91- 398-64-42.

Resumen

El “Prototipado Rápido” nació hacia 1985-1986 y ha alcanzado en la actualidad unos volúmenes de negocio apreciables, estando involucradas empresas de desarrollo, de producción y organismos varios, como universidades, departamentos de investigación y otros.

Las ventajas de este tipo de proceso en la creación de prototipos o modelos sobre el sistema convencional, a la hora de desarrollar nuevos productos, es tan importante que el usuario está obligado a conocerlos.

Con este trabajo se pretende estudiar desde un punto de vista práctico a los distintos procesos o tecnologías que conviven en la actualidad, analizando sus características y posibilidades, sus ventajas e inconvenientes.

Así mismo se puede tratar de pensar en la evolución futura y prever un incremento en su uso, con aplicaciones y materiales nuevos que abran nuevos campos de uso.

Abstract

The rapid prototyping technology was born in 1985 and since its appearance has became a high business area management. But the technology is moving very rapidly and in this fast development are involved research and development companies, production firms and other institutions like scientific research institutes and universities.

Rapid development in prototyping technology has enabled the manufacturers of models and dies to add more and more features to the repertoire. The benefits in the model prototyping in this way, against the traditional systems, are so important that the user have to know when he tries to develop new products.

In this work, we offer the analysis of the different nowadays process and technologies in this area, studying the most important characteristics and possibilities, the advantages and the possible inconveniences. As a conclusion of this work, we can forecast the future growing up with applications to new materials that open new use possibilities.

0 - Introducción

El Prototipado Rápido se entiende como un método para la generación de modelos y prototipos de tres dimensiones rápida y automáticamente, usando máquinas asistidas por sistemas informáticos, que construyen el modelo “capa a capa”.

La base es un sistema de datos CAD 3D. A partir de ese diseño, la aplicación va “cortando” la pieza en secciones paralelas muy finas (del orden de 0,1 mm de espesor), creando capas casi de 2D. Estas capas se pasan a determinado tipo de maquinas que las generan físicamente con determinados materiales y técnicas, juntándolas hasta formar el conjunto de la pieza. Ésta se va construyendo realmente capa a capa. El resultado final es una reproducción 3D de la pieza diseñada.

Este proceso nace de dos necesidades contrapuestas en el entorno de las empresas dedicadas a la preparación de nuevos productos:

- El proceso de puesta a punto de los nuevos productos a de ser lo más corto posible.

- Ese mismo proceso debe hacer que las características del nuevo producto sean lo más precisas posible (lo más ajustadas a la realidad).

La generación de prototipos en tres dimensiones (3D) está actualmente muy extendida en el ámbito de las empresas y surge de la necesidad de ampliar la información cuando ésta no basta con los planos habituales en dos dimensiones (2D), encontrándose necesario la creación de estos modelos en 3D. Esta generación puede considerarse una fase más en el complejo proceso de “crear” un nuevo producto.

La fabricación de prototipos ha sido, casi siempre, una labor de manufactura que implicaba esencialmente largos períodos de tiempo, además de personal especializado y muy “manitas”, valga la expresión.

En la actualidad, con los modernos sistemas informáticos CAD-CAM, unidos a máquinas de diseño de piezas en 3D, la generación de los prototipos a pasado a ser algo sencillo y rápido, habiéndose creado para ello el término “Rapid Prototyping” (RP). En términos generales se ha pasado, para la fase de construcción del modelo o prototipo, de unos plazos del orden de 25 – 26 semanas a plazos de 6 a 8 semanas en el peor de los casos.

Además, hay que tener en cuenta la capacidad de “comunicar” que tiene una reproducción de un producto en 3D, permitiendo al cliente “ver” como será éste.

1 - Finalidad del prototipo.

Se pueden distinguir cuatro tipos de finalidad en la generación de prototipos:

1 - Estética: hace hincapié en el aspecto estético del producto.

2 - Dimensional: permite estudiar las dimensiones de la futura pieza, encaje con otras con las que se montará, solapes, etc.

3 - Funcional: servirá para estudiar el funcionamiento de la pieza, normalmente dentro de algún conjunto o montaje en el que se ha de incluir.

4 - Experimental: va a servir para hacer “experimentos”. Esto puede implicar usar materiales “reales” en algunos casos, estudios de cargas, fatigas, etc.; en otros no será necesario, como en el caso de estudios en túneles de viento, cálculo de tensiones, etc.

En general la finalidad del prototipo marcará ciertas características en la generación de éste (proceso escogido, materiales usados, dimensiones de diseño, etc.).

2 - Materiales para los prototipos.

Hay gran variedad de materiales y el usar unos u otros vendrá marcado, como se ha dicho, por los objetivos que deben alcanzarse. Esencialmente son:

1 - Líquidos: suelen ser resinas polimerizables, termoplásticos fundidos o proyectados.

2 - Sólidos: en forma de láminas muy finas: papel, plástico, etc.; ya sean autoadhesivas o soldadas por polimerización.

3 - Polvo: metálico, plástico, carbón, etc. Puede usarse en procesos de sinterización (fusión) o aglomerado con colas y resinas.

3 - Objetivos que debe buscar el Prototipado Rápido y ventajas de éstos.

Los objetivos deben servir para:

1 - Reducir el tiempo de diseño.

2 - Reducir el coste del mismo diseño, ya sea por reducción del tiempo o del personal involucrado en esta fase.

3 - Versatilidad en la generación: consiguiendo variedad de formas, materiales, colores, etc.

4 - Fiabilidad: tanto en dimensiones como características de diseño.

Realmente este proceso debe ser una fase más, y por ello normalizada, como podría ser la preparación de planos, por ejemplo.

En cuanto a las ventajas que reporta este tipo de procesos pueden ser:

1 - Diseño conceptual de modelos.

2 - Comercialización: modelos para ofertas, presentaciones, folletos.

3 - Análisis: creación de modelos rígidos para análisis en túneles de viento y de tensiones.

4 - Creación de herramientas maestras y útiles para multitud de procesos de fabricación.

5 - Uso médico: estudio de prótesis, herramientas, etc.

4 - Tecnologías en uso.

En la generación de prototipos, las técnicas pueden dividirse en:

1 - Técnicas de primera fase: es la obtención de una primera pieza semejante a la que se diseña. Para ello existen diversos procesos. Los materiales no tienen porqué coincidir con los reales. Los procesos pueden dividirse en tres clases:

- Por aportación de material (Material Increase Manufacturing - MIM).

- Por deformación.

- Por eliminación de material: Mecanizado rápido.

Las más interesantes son las técnicas de aportación de material (MIM) por ser bastante nuevas, muchas de ellas aun están en desarrollo.

2 - Técnicas de segunda fase: consiste en la obtención de piezas en materiales reales a partir de un molde obtenido a partir de una pieza maestra; esta pieza maestra se fabricará con cualquiera de las técnicas de primera fase.

4.1 - Técnicas de primera fase.

Esencialmente existen cuatro o cinco técnicas aunque en algunas publicaciones aparecen más. Esto se debe a que dentro de las “oficiales” pueden introducirse variaciones que, dependiendo de cómo se traten, pueden hacer que se considere como una técnica diferente o una mera variación de alguna de las características.

Todas estas técnicas trabajan partiendo de un diseño 3D por ordenador de la pieza a fabricar. Este diseño 3D es “cortado” en capas horizontales de espesor controlado (aprox. 0,1 mm), generándose secciones planas de espesor uniforme. Dichas secciones se pasan a una máquina que, por aportación de material, va fabricándola encima de la sección anterior. Una vez añadidas todas las secciones y solidificadas, se tiene una pieza en 3D idéntica a la diseñada por ordenador.

Aunque la base del sistema básicamente es la misma, la tecnología y materiales usados varían mucho de una técnicas a otras.

4.1.1 - Estereolitografía (Stereolithography - SL).

Es el sistema más extendido comercialmente; la empresa que más representativa es 3D Systems.

Se parte de un tanque de resina líquida (epoxy o acrílica) fotopolimerizable en el que se introduce un soporte que se desplaza en sentido vertical de forma controlada.

Un cabezal con un rayo láser va polimerizando la capa de resina que cubre el soporte de acuerdo con las instrucciones que recibe del ordenador (trabaja como un plotter) hasta polimerizar la sección completa. Una vez terminada la sección correspondiente, el soporte, con la sección polimerizada, se sumerge en el tanque justo la medida para crear una nueva sección mediante una nueva pasada del láser.

La polimerización no es completa pues se hace en forma de celdas por lo que una vez terminado el proceso se necesita un curado de la pieza hasta su completa solidificación. Esta fase implica una serie de lavados, secados y tratamiento con rayos U.V.

Las piezas producidas son de una precisión aceptable, pudiendo ser usadas como “patrones” para procesos de construcción de moldes según las técnicas que se explican más adelante.

Las ventajas de esta técnica son el buen acabado superficial, la precisión conseguida y la sencillez del equipo, que hace que no se requiera personal especializado.

La mayor desventaja es el post-curado que necesita la pieza. Su coste tanto inicial como de mantenimiento es elevado, lo que lleva a un alto coste de las piezas desarrolladas.

4.1.2 - Sinterizado selectivo por Láser (Selective Laser Sintering - SLS).

Este sistema fue desarrollado por la Universidad de Tejas (EEUU) que lo cedió como licenciatario a DTM Corporation.

El material base es polvo ya sea termoplástico (Nylon, polímeros, etc.) o metálico.

Se comienza con un depósito cilíndrico en el que se deposita una capa muy fina (el espesor dependerá del de las secciones a generar) de polvo precalentado hasta justo un poco por debajo de su temperatura de fusión.

El cabezal láser, guiado por el sistema de control del ordenador va sinterizando el polvo hasta formar la sección plana. Una vez generada ésta (y sin eliminar el polvo no sinterizado) se recubre con una nueva capa de polvo por la que vuelve a pasar el láser para crear la nueva sección que se suelda directamente sobre la anterior. Este proceso se repite hasta completar la pieza. Al final del proceso se retira todo el polvo no sinterizado,

El láser debe estar enfocado muy bien para que la sinterización tenga lugar solo en el espesor de la capa. El material no sinterizado no se elimina hasta acabada la pieza pues va sirviendo de soporte para la siguiente capa (cuando hay zonas huecas o en voladizo).

En el caso de usar polvo metálico el prototipo puede usarse directamente para la preparación de preseries.

Esta técnica tiene las ventajas de no necesitar post-curado, la posibilidad de usar multitud de materiales (la potencia del láser variará en función de éstos) consiguiéndose piezas resistentes. El uso de polvos metálicos además del láser de alta potencia hace necesario el uso de aglomerantes y polvo de cobre; igualmente en el caso de polvo cerámico habrá que incluir fosfatos como aglomerantes.

Las desventajas residen en los tiempos de calentamiento y enfriamiento así como en la porosidad de las piezas conseguidas que puede hacer necesario el uso de productos infiltrantes, además, la fabricación ha de hacerse en atmósfera inerte de Nitrógeno.

4.1.3 - Modelado por material Fundido Depuesto (Fused Deposition Modelling - FDM).

Figura 1: Actua 2100 de Stratasys

Esta técnica usa materiales termoplásticos (ABS, ceras, elastómeros, etc.) en semifusión que son extruidos por un cabezal que va creando la correspondiente sección. El material suele llegar en forma de hilo hasta el cabezal que al depositarlo ejerce una cierta presión consiguiendo el soldado con la capa anterior así como su solidificación.

Estas máquinas suelen llevar un segundo cabezal que extruye material de soporte (ceras) para secciones con áreas vacías o voladizos.

El movimiento de los cabezales, como en todas estas técnicas, está guiado por el sistema CAD-CAM.

Esta técnica se adapta muy bien para su uso en oficinas, permitiendo el uso de materiales de diversos colores.

Figura 2: fusil M4A1 de la US Navy, Este ABS en ABS fue probado en pruebas de fuego con munición real. Crane Division Naval Surface Warfare Center

Las ventajas de esta técnica son que no usa láser (que siempre encarece), los materiales son muy variados pero no suelen ser tóxicos ni producir residuos; además, estas máquinas son sencillas, de tamaño reducido y muy versátiles con los diferentes materiales.

Las desventajas son que presentan poca consistencia en el dimensionado vertical y la fabricación de grandes piezas macizas se hace muy lenta.

Hay otra técnica denominada “Modelado por Inyección de Tinta” (Ink Jet Modelling) que trabaja con el mismo principio pero cuyas máquinas son auténticamente de oficina. La firma que más la trabaja es Sanders Prototype Inc.

4.1.4 - Fabricación de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing - LOM).

Con esta técnica las secciones 2D procedentes del diseño 3D son fabricadas en un material laminar (papel autoadhesivo, láminas de material plástico) cuyo espesor coincide con el de las correspondientes capas 2D en que se descompone la pieza 3D.

El material viene en forma de rollo, siendo cortado por un láser de acuerdo con el perfil de la sección. El material sobrante se retira cortándolo.

Las ventajas de esta técnica son que el proceso es muy simple, también es muy práctico para piezas voluminosas y, además, no requiere post-curado. La fabricación de piezas macizas es muy rápida.

Las desventajas residen en la poca calidad del acabado superficial y en la sensibilidad a la humedad de este tipo de piezas siendo de fácil deterioro por el material usado.

Esta técnica requiere trabajar en atmósfera inerte por el riesgo de fuego (sobre todo sí el material base es papel).

4.1.5 - 3D Printing.

El material usado es polvo que se deposita en capas y que se une para formar un sólido mediante una cola que es proyectada en gotas en las zonas correspondientes a la sección que se ha de fabricar. Una vez terminada la pieza esta se solidifica mediante un tratamiento de calor con temperaturas variables dependiendo del material (termoplástico, metal, cerámica, etc.).

Esta técnica tiene la ventaja de usar materiales de bajo coste así como no necesitar ceras para soporte en las zonas huecas. Para reducir el tiempo de fabricación es posible usar varios cabezales inyectores.

La desventaja es el posterior curado por calor que requiere este tipo de fabricación Así como el acabado superficial pobre en zonas interiores.

4.2 - Otras técnicas de primera fase.

Si se explora el mercado se comprueba la existencia de otras técnicas. Algunas de ellas son mezcla de algunas de las expuestas aquí y otras introducen variaciones pudiendo considerarse técnicas nuevas.

4.2.1 - Curado en Capa Sólida (Solid Ground Curing - SGC).

La base del sistema es la misma que para la Estereolitografía, es decir, una resina fotopolimerizable que se va depositando por capas, a partir de un soporte base, con un espesor determinado. Estas capas son polimerizadas por zonas de acuerdo con la forma de la correspondiente sección 2D.

La diferencia con el sistema de Estereolitografía reside en que la polimerización de la capa es total mediante una fuente de luz ultravioleta. Para ello la capa de resina se recubre con una máscara creada a partir de la correspondiente sección. Esta máscara permitirá pasar la luz en las zonas donde debe darse la polimerización.

Las máscaras se generan a partir del diseño 3D de ordenador como fotocopias sobre un vidrio que se sitúa encima de la capa de resina. La luz ultravioleta consigue una total polimerización de la capa.

Al finalizar la fase de polimerización se elimina la resina que no se ha polimerizado y los huecos se rellenan con cera; seguidamente un ligero fresado permite eliminar un mínimo de material, dejando una capa absolutamente plana con el espesor exacto para fabricar la siguiente sección.

Terminada la pieza la cera se elimina por lavado o fusión

Según sea la polimerización existen tres variantes en esta técnica:

1 – ACES: es una polimerización lenta pero de mucha precisión; las partes interiores quedan también bien definidas.

2 – STARWARE: usa resinas que contraen al polimerizar. Se consigue menos precisión a costa de una mayor rapidez en el proceso.

3 – QUICKCAST: muy adecuada para modelos huecos de fundición. El problema es que esta variante usa una resina higroscópica que requiere un control ambiental de la pieza (humedad y temperatura).

Esta técnica presenta diversas ventajas como es la precisión y estabilidad de las piezas, rapidez (con relación al estereolitografiado). También posibilita trabajar con piezas grandes.

La desventaja es la necesidad de personal especializado y el elevado desperdicio de residuos.

4.2.2 - Fabricación por Partículas Balísticas (Balistic Particles Manufacturing - BPM).

Esta técnica difiere de los demás pues no va creando secciones 2D hasta completar el diseño 3D. Realmente fabrica la pieza directamente en 3D. Para ello usa material fundido que lo proyecta mediante un cabezal que se mueve según las 3 dimensiones.

Las gotas (de aprox. 0,076 mm) son proyectadas a una frecuencia de 12.000 gotas/seg. de manera que al impactar solidifican. Un segundo cabezal suaviza el acabado superficial consiguiendo el espesor correcto.

El cabezal se controla (como en todas estas técnicas) por un sistema CAD-CAM.

Este sistema está todavía en evaluación aunque presenta la ventaja de un auténtico proceso 3D mediante materiales de bajo coste, como desventaja, el software de control es más bien sofisticado, además de que el proceso ha de comenzar con un “objetivo” sobre el que proyectar al comenzar.

4.3 - Técnicas de segunda fase.

Las técnicas de segunda fase suelen dedicarse a la creación de moldes para la obtención de preseries en materiales originales. Este molde se crea a partir de un prototipo de la pieza fabricada con cualquiera de las técnicas de primera fase.

4.3.1 - Al vacío (Vacuum System).

Es un sistema de reproducción de piezas que utiliza un molde de silicona, que se rellena de resinas de poliuretano en cámara de vacío. El proceso comienza mediante una pieza creada con cualquiera de las técnicas anteriormente descritas (SLS, LOM, FDM, etc.). Con ella se prepara un molde silicona siguiendo los pasos habituales: delimitación de líneas, instalación del modelo en la caja de moldeo, rellenado (al vacío) de la caja con silicona, curado del molde, extracción de la pieza original y uso del molde.

Esta técnica presenta la ventaja de la posible obtención de numerosas piezas con el mismo molde.

Su desventaja es que las piezas obtenidas no suelen ser del material definitivo.

4.3.2 - Electrodeposición (Electroforming).

Sobre una pieza creada por técnicas de primera fase se crea una película metálica por electrodeposición; por colada de otros materiales se termina de preparar el molde.

La capa metálica suele tener un espesor de 0,5 a 1,5 mm y previa a ella (para conseguir la electrodeposición) se crea una capa finísima de níquel químico sobre la que se forma la de níquel electrolítico.

La creación del molde implica la preparación de la pieza original con las líneas de partición y las tomas para la colada de las piezas.

Terminadas las dos mitades en níquel el resto del molde puede rellenarse con diversos materiales: cobre, latón, resina epoxy, etc.

Con esta técnica se obtienen moldes muy detallados en un tiempo muy corto y a coste reducido; Además, la pieza original puede ser de cualquier material.

4.3.3 - Proyección metálica.

Es un sistema parecido a la electrodeposición en el que la deposición del metal se sustituye por proyección mediante gotas finísimas que se sueldan entre sí. Se consigue una primera capa de un espesor parecido a la técnica anterior.

Una vez creadas las dos mitades se debe acabar de rellenar el molde con metal fundido, resinas epoxy, etc.

Esta técnica es más barata y sencilla que la “electrodeposición”; no obstante la pieza “maestra” no puede ser de cualquier material (cera, plástico termofusible, etc.).

4.3.4 - Moldeo por cáscara (Shell moulding).

Este sistema se usa para obtener piezas en metal (acero, aluminio, latón, bronce, etc.).

Consiste en formar una cáscara refractaria sobre una pieza igual a la que se desea obtener, pero de cera y que posteriormente se va a eliminar. Esta pieza de cera se creará mediante alguna de las técnicas de primera fase (FDM, principalmente).

Una vez creada la pieza en cera se la recubre con una capa cerámica (por baño) y seguidamente con arena refractaria que lleva aditivos ligantes sensibles al calor.

El molde se cura en horno que elimina la cera y solidifica el molde.

Este sistema presenta la ventaja de permitir obtener piezas en cualquier material fundido por colada.

5 - Campos de aplicación de estas técnicas.

Se puede observar una clara división entre “Técnicas de 1ª Fase” y “Técnicas de 2ª Fase”.

Las primeras están limitadas en su utilidad funcional y experimental, dado que los materiales del prototipo no coincidirán la mayoría de las veces con los finales. Estas piezas suelen ser válidas a efectos estéticos y dimensionales (hay excepciones: como uso en túneles de viento, etc.).

Sin embargo, aunque en principio parezcan que las posibilidades prácticas son pocas, estas técnicas tienen aplicaciones para diseños, verificación, fabricación de ciertas herramientas, creación de modelos para aplicaciones médicas (y en esta campo, mediante "escaneado" de partes del cuerpo humano, su uso es cada vez más importante), etc.

Una característica a tener en cuenta en las máquinas que usan estas técnicas es su tamaño (sus dimensiones y peso) dado que grandes máquinas van a requerir instalaciones específicas, mientras que las pequeñas suelen adaptarse a instalaciones casi de sobremesa. Según esto es posible encontrar campos bastante separados (incluso en el caso de usar la misma técnica).

Las técnicas de segunda fase permiten fabricar piezas que pueden ser consideradas “preseries”, con los materiales originales, lo que permitirá realizar estudios de características funcionales y experimentales. Así y todo no se debe olvidar que para usar estas técnicas previamente se ha de crear la pieza de primera fase.

6 – Otras técnicas no MIM.

Todas las técnicas expuestas hasta aquí son de tipo MIM, es decir, la construcción del prototipo se hace por aporte de material. Sin embargo, existe una técnica cuya base es lo contrario: la construcción se hace por eliminación de material sobrante. Esta técnica es la denominada Mecanización de Alta Velocidad.

No presenta ventajas con relación al tiempo del proceso pero sí con relación al acabado.

Por supuesto esta técnica se basa, también en un sistema de diseño CAD 3D.

Los materiales pueden ser desde metales rápidos a resinas, plásticos, etc.

7 – Cuadro resumen.

Mecanizado de Alta Velocidad

LOM SLS Estereolitografía

Tamaño de pieza (en mm)

Sin limitaciones aprox. 800 x 550 x 500

340 x 340 x 590 600 x 600 x 400

Material Resinas de facil mecanizado

Papel y plástico laminado

Nylon (duro) Resinas

Acabado Gran precisión Rugoso, requiere acabado

Bueno Muy bueno

Coste de material Variedad de precios

Muy barato Pago de licencias del material y

mantenimiento

Pago de licencias del material y

mantenimiento Cajas de machos Se puede

mecanizar sin premodelo

Requiere premodelo

Requiere premodelo

Facil

Precio del equipo 30 - 40 millones 50 millones 65 millones 60 millones Desventajas Herramientas caras Acabado arduo Limitación de

tamaño Limitación de

tamaño Tabla 1 - Resumen de características de algunos de los procesos.

De este cuadro se pueden sacar diversas conclusiones:

- Existe una gran variedad de materiales aunque el uso masivo de resinas (epoxy y acrílicas) y termoplásticos se lleva la parte del león en cuanto a uso. Hay que hacer hincapié en que los materiales no son excesivamente baratos, teniendo algunos de ellos que pagar licencias por su uso.

- Sigue existiendo el problema de las dimensiones. Se está hablando de piezas relativamente pequeñas, pero la industria actual maneja en determinadas ramas “elementos” de elevadas dimensiones (por ejemplo la industria del automóvil, fundición de grandes piezas, matricería de chapa para carrocerías, etc.).

- El precio de estos equipos, hay que decirlo lisa y llanamente, es caro. Quizá una mayor expansión de estas técnicas consiga abaratarlas y ponerlas al alcance de la pequeña y mediana empresa (se podría seguir el símil del desarrollo del mercado de equipos informáticos... salvando las distancias).

- Como último punto hay que hablar de la precisión de los modelos y de su acabado. Es un campo en el que todavía queda mucho por hacer; de hecho muchos de los prototipos que se fabrican requieren un posterior “acabado”.

8 – Conclusiones y tendencia.

Estas técnicas presentadas aquí son relativamente nuevas; muchas de ellas (y otras más) se encuentran casi en fase de desarrollo y perfeccionamiento, incluso estando en fase de comercialización e, incluso, bastante consolidadas, con un elevado número de empresas y organismos que las usan.

Es posible presentar una serie de datos, como evolución entre 1988 y 1995 en número de máquinas vendidas por fabricantes (Tabla 2).

Ventas en unidades (Máquinas de generación de prototipos)

Fabricante y Tecnología 1994 1995 Total 1988 - 1995

Fabricantes USA

3D Systems SL 94 130 617

Helisys LOM 76 33 181

Stratasys FDM 55 96 188

DTM SLS 30 42 110

Sanders Prototyping Model Maker 22 40 62

Soligen DSPC 3 0 7

Fabricantes Europa

EOS Stereos/EOSINT 14 36 60

Cubital SGC 5 4 27

Fockele/Schwarze LMS 2 0 2

Tabla 2: Venta de máquinas de 1988-1995.

Se puede observar el predominio claro de USA sobre Europa en estas tecnologías, aunque otro mercado a estudiar sería el japonés, que presenta unas cifras muy interesantes.

Hay que tener en cuenta que la mayoría de las máquinas que usan estas técnicas no están desarrolladas para trabajar en un entorno de oficina, pues requieren instalaciones especiales como: espacios cerrados y aislados, extracción de gases, climatización, aislamiento acústico, etc.

La tendencia deberá ir hacia la construcción de modelos que sirvan de ayuda a los diseñadores, proyectistas, ingenierías, departamentos de marketing y ventas. Las piezas deberán poder fabricarse en un entorno de puesto de trabajo mediante la adopción de sistemas CAD-CAM adosados a máquinas de construcción de prototipos.

9 - ¿El futuro del “rapid prorotyping”?

En el punto anterior se hace referencia a la necesidad de ir hacia “máquinas de oficina”, auténticos puestos de trabajo en los que mediante sencillos sistemas informáticos se pueda hacer diseños que se plasmen en “fotocopias en 3D”.

Sin embargo, el uso de las aplicaciones CAD-CAM no es fácil y requiere un período de aprendizaje incluso para usuarios avanzados de ordenadores.

¿No sería posible reproducción de piezas o elementos ya existentes pero de los cuales no existen planos ni medidas? Sería muy interesante la posibilidad de que estos equipos trabajasen con “escaners” que sirvieran para detectar la geometría de piezas reproduciéndolas físicamente en cualquiera de los materiales disponibles (como se dice más arriba: “fotocopias 3D”).

Esto no es fantasía pues se está usando actualmente en aplicaciones médicas, donde la entrada de datos es mediante tomografías (por emisión de positrones, axial computarizada y por resonancia magnética nuclear) y la salida, a través de estas máquinas, es un modelo de determinadas partes del cuerpo.

Con relación a los materiales y entendiendo que esta es una faceta en continuo desarrollo habría que explorar las posibilidades de uso de “composites”, materiales cerámicos y otros metales y plásticos.

Se puede decir que el “rapid prototyping” se encuentra aún en plena adolescencia, sin siquiera haber llegado a una plena juventud pudiendo esperar mucho más, no solo en procesos industriales sino de la vida diaria: reproducción de elementos ya existentes, reconstrucción de piezas deterioradas, etc.

Anexo - Algunas máquinas en el mercado1.

Algunos de los modelos de máquinas que hay actualmente en el mercado son:

A.1 - Estereolitografía (SL).

Fabricante Modelo Material Espesor de la capa (mm)

Tamaño máximo de las piezas (mm)

3D Systems Serie SLA Resina - 350 x 350 x400 EOS GmbH STEREOS Desktop Resina 0,1 - 0,25 250 x 250 x 250

“ SYEREOS MAX600 Resina 0,1 - 0,25 600 x 600 x 400 CUBITAL ¿? Resina gran precisión 500 x 350 x 500

Tabla 3: Algunas máquinas de Estereoligrafíado.

A.2 - Sinterizado selectivo por láser (SLS).

Fabricante Modelo Material (polvo)

Espesor de la capa (mm)

Tamaño máximo de las piezas (mm)

EOS GmbH EOSIN P350 Plástico 0,1 340 x 340 x 590 “ EOSIN P250 Metal 0,1 250 x 250 x 150 “ EOSIN S700 Arenas 0,2 720 x 380 x 380

DTM SinterStation 2000 ¿? 0,076 - 0,254 380 x 330 x 420 “ SinterStation 2500 ¿? 0,076 - 0,254 380 x 330 x 420

Tabla 4: Algunas máquinas de Sinterizado Selectivo por Láser.

A.3 - Fabricación de Objetos Laminados (LOM).

Fabricante Modelo Vel. de corte (m/seg.)

Espesor de la capa (mm)

Tamaño máximo de las piezas (mm)

HelySys LOM 2030 E 600 0,05 - 0,5 810 x 560 x 510 “ EOSIN P250 380 0,05 - 0,5 380 x 254 x 355

Tabla 5: Algunas máquinas de Fabricación de Objetos Laminados.

A.4 - Modelado por material Fundido Depuesto (FDM).

Fabricante Modelo Tecnología Peso máx. de las piezas (mm)

Tamaño máximo de las piezas (mm)

3D Systems ACTUA 2100 Multi Jet 5,9 250 x 200 x 200 Stratasys Inc. Varios modelos - - -

Tabla 6: Algunas máquinas de Modelado por Deposición de Material Fundido.

1 De la revista Tope, número 36, artículos Aplicación de 2rapid prototyping” en modelos de fundición y Producción de prototipos rápidos 3D en su oficina.

A.5 - Mecanizado de alta velocidad.

Fabricante Modelo Velocidad de avance

(M/min.)

Velocidad de husillo (r/m)

JOBS JO’MACH (145-246) 20 24.000 MIKRON Frsadoras HSM 700 20 42.000 SHARNOA Centros de mecanizado

vertical (HPM 40, 65 y 85) 7 8.000

CHIRON Werke GmbH FZ-12 (mesa fija) 40 15.000 FIDIA Spa. Digit 165, 218 y 633 20 42.000

Tabla 7: Algunas máquinas de Mecanizado de Alta Velocidad.

B - Algunas direcciones de páginas Web interesante.

Algunos de las direcciones de Internet de los fabricantes de este tipo de máquinas son:

Stratasys Inc. http://www.stratasys.com/

Helisys http://helisys.com/

3D Systems http://www.3dsystems.com/home.asp

Sanders Prototype, Inc. http://www.sanders-prototype.com/main.html

DTM Corporation http://www.dtm-corp.com/home.htm

Universidad de Stanford. Laboratorio de Prototipado Rápido

http://www-rpl.stanford.edu/

Universidad de Dayton. Departamento

de Desarrollo de Prototipado Rápido

http://www.udri.udayton.edu/rpdl/

Universidad de Northumbria

(Newcastle-U.K.)

http://www.unn.ac.uk/~mfx2/

Tabla 7: Algunas direcciones interesantes en Internet.

C - Bibliografía.

Existen pocos libros editados con relación al “Prototipado Rápido”; sin embargo, la bibliografía a nivel de artículos en revistas y/o Internet es muy abundante. Esto es lógico habida cuenta de la fase en que se encuentran estas tecnologías.

Publicaciones:

[1] DDI Sociedad Estatal - Asociación Catalana de Empresas Constructoras de Moldes y Matrices; “El diseño industrial y el Rapid Prototyping”; 1996.

[2] Chua Chee Kai, Leong Kah Fai; “Rapid Prototyping, Principles & Applications in Manufacturing” EEUU; 1997.

[3] M. Sarwar, S. Hogarth, P. M. Hackney; “Getting started with rapid prototyping”; Center of Rapid Product Development. School of Engineering. University of Northumbria at Newcastle; 1998.

[4] “Aplicación de Rapid Prototyping en modelos de fundición”; Revista TOPE Nº 36.

[5] “Producción de prototipos rápidos en su oficina técnica”; Revista TOPE Nº 36.

[6] David Harrison; “The medicine and technology crossroads - Medical imaging”; Current Technology Magazine - http://www.CurrentTech.com; Nov 1998.

[7] Allan Lightman; “Image realization - Phisical anatomical models from scan data”; SPIE Symposium; San Diego CA; 1998.

[8] D. Klosterman, R. Chartoff, N. Osborne, G. Graves, A. Lightman, G. Han; “Laminated Object Manufacturing of Advanced Ceramics and composites”; R. P. D. Laboratory. University of Dayton; 22-1-99.