Una de las técnicas de validación que en estos momentos está teniendo más repercusión, por la reducción de tiempo que puede provocar en el desarrollo de nuevos productos, es el denominado Rapid Prototyping (RP) (Prototipado rápido), el cual permite obtener modelos físicos tridimensionales de manera rápida y exacta de las geometrías diseñadas en modeladores 3D.

Estos prototipos pueden ser:

• únicamente estéticos para validación de formas y proporciones
• o semifuncionales, permitiendo en estos últimos casos asegurar la validez de los diseños, comprobación de interferencias, realizar pruebas funcionales de laboratorio, gestionar con seguridad aspectos relacionados con el empaquetado, realizar fotografías promocionales o de catálogo, presentar productos casi finales o en ferias, etc.

Las máquinas de Prototipado Rápido utilizan comúnmente, como fichero de información entrante, la geometría de las piezas a realizar en formato STL. A partir de este fichero los diferentes programas de control generan "cortes" a la geometría, con el fin de conocer el perfil que deberá de tener cada una de las rebanadas de pieza que se ha de ir generando y que, finalmente, el conjunto de todas ellas dará como resultado la pieza en cuestión.

Bajo el nombre de prototipado rápido se agrupan una serie de tecnologías distintas de construcción de sólidos. Todas ellas parten del corte en secciones paralelas de piezas representadas en CAD. Estas secciones caracterizan a todas las tecnologías de prototipado rápido, que construyen las formas sólidas a partir de la superposición de capas horizontales.

De las múltiples tecnologías existentes, las dos que más acepción y experiencia acumulada tienen son:

• Estereolitografía (SLA).- Esta técnica se basa en la posibilidad de solidificar una resina en estado líquido mediante la proyección de un haz láser de una frecuencia y potencia muy concretas. Emplea un láser UV que se proyecta sobre un baño de resina fotosensible líquida para polimerizarla.

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. El líquido es un fotopolímero que cuando está expuesto a radiación ultra-violeta solidifica. 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. La creación de los prototipos se inicia en su parte inferior y finaliza en la superior.

VENTAJAS

• Es una de las técnicas de prototipado rápido más exactas desde un punto dimensional, por lo que resulta especialmente indicado para piezas es las que esta característica tenga una especial relevancia. Como norma general, suele ser considerada una buena técnica a aplicar en piezas pequeñas con muchos detalles.
• Los elementos obtenidos son agradables al tacto y a la vista, se pueden pulir y/o pintar con facilidad, obteniéndose acabados superficiales excelentes. El material final es translucido, lo cual hace que pueda resultar especialmente indicado para determinados conjuntos donde se desea apreciar, (o cuando menos insinuar), interferencias interiores.

INCONENIENTES

• Aunque se está avanzando en el desarrollo de nuevas resinas fotosensibles con mejores características mecánicas, las utilizadas más habitualmente son frágiles y poco flexibles; y una vez curada la pieza son muy sensibles tanto a la humedad (incluida la ambiente) como a la temperatura. Estos dos parámetros hacen que puedan perder fácilmente sus características mecánicas y sufrir alteraciones dimensionales con el paso del tiempo.
• La propia mecánica de trabajo de la estereolitografia hace que las distintas láminas de la pieza solidificada requiera de columnas de soporte para que no se colapse y acabe en el fondo de la cubeta.
• Sinterización selectiva con láser (SLS).- En vez de un fotopolímero, en el caso del sinterizado, se utilizan polvos de diferentes materiales, como polímeros, metales o materiales cerámicos.

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. Seguidamente, un láser sinteriza las áreas seleccionadas causando que las partículas se fusionen y solidifiquen. El modo de generación de las piezas es similar al de la estereolitografía, en el que los elementos son generados de capa en capa, iniciando el proceso por las cotas más bajas y terminados por las superiores.

VENTAJAS

• Los prototipos obtenidos mediante el uso de esta tecnología resultan mucho más funcionales, debido a que el material con el que se realizan tiene una más alta similitud, en su comportamiento mecánico, a las que tendrían las piezas definitivas plásticas, permitiendo realizar montajes, desmontajes de conjunto, pruebas de laboratorio y de campo. Soportan la humedad y temperaturas moderadamente elevadas (hasta 180 °C) sin que se vean afectadas ni sus dimensiones ni las características del material.
• Debido a la inexistencia de columnas de soporte en la generación de las piezas, existe una mayor libertad de generación. Así mismo es posible anidar piezas (unas sobre otras) en la misma cubeta lo cual puede repercutir positivamente en los costes finales.

INCONVENIENTES

• Dimensionalmente pueden aparecer, si no se controlan exhaustivamente todos los parámetros, desviaciones algo superiores a otras tecnologías, debido fundamentalmente, a que el proceso se realiza a temperaturas elevadas y la más leve variación en las condiciones de trabajo puede afectar con efectos de contracciones o dilataciones.
• Resulta necesario estudiar con cautela el posicionamiento de las distintas piezas a realizar dentro de la cubeta, alejando por ejemplo piezas muy densas de otras finas y débiles con el fin de evitar que el proceso de enfriamiento del pastel se produzcan tensiones térmicas provocadas por concentraciones de calor en determinadas áreas que ocasionen deformaciones. Las piezas obtenidas tienen una aspecto superficial algo rugoso, propio de las microesferas del material utilizado.

Ejemplo prototipo de un carburador:

Ambas técnicas permiten fabricar piezas tridimensionales a partir de un fichero CAD (fichero de diseño de piezas por ordenador). Las piezas se van creando capa a capa, gracias a que el láser incide en puntos precisos del material y los solidifica, si se trata de resina, o los sinteriza, si se trata de material en polvo. El material se encuentra sobre una plataforma que, una vez que el láser ha creado el contorno adecuado en cada capa, desciende una pequeñísima altura para permitir a dicho láser dar forma a la siguiente capa. Al final, tras un proceso que puede durar varias horas, frente a las semanas que se podría tardar con otras técnicas, se obtiene la pieza final.

Las ventajas de las técnicas de PR son, por tanto, la capacidad de fabricar piezas muy complejas y la posibilidad de obtener prototipos sin que para ello sea necesario diseñar y fabricar los útiles. Posibilidad de verlos, tocarlos y analizar sus características antes de fabricarlo. Todo esto supone un evidente ahorro de tiempo y un ahorro de costes importante.

Estas técnicas representan un gran paso hacia adelante, alejándonos de la imposibilidad de reflejar las ideas tan sólo en formato 2D, y brindándonos la posibilidad de imprimir modelos tridimensionales en un corto espacio de tiempo. Estamos ante unas técnicas que están presentando un gran crecimiento en su utilización y en la mejora de sus prestaciones, llegándose a hablar en las últimas ferias especializadas de "Rapid Manufacturing" ya que las piezas son en realidad piezas finales acabadas y no puramente "prototipos". Estas técnicas empiezan a dejar de ser consideradas en I+D (Investigación y Desarrollo) para integrarse en lo que podemos denominar "sistemas productivos", ya que su objetivo, además de facilitar el diseño, pretende ser el de fabricación de las piezas finales.

Las aplicaciones más frecuentes se realizan en ingeniería, diseño, arquitectura y construcción para evaluar conceptos de diseño y ergonomía. Tiene gran importancia en matricería digital, medicina, biomecánica, juguetería, arte, y joyería

En el mundo de la Fórmula 1 ya hay equipos que llevan sus vehículos a la competición con componentes sinterizados por láser. Esto es más que un aperitivo a la producción industrial en masa del futuro. Porque tanto las propiedades y comportamiento de las piezas como las oportunidades de esta tecnología son adecuadas para la fabricación rápida y económica de piezas de plástico de pequeñas series, para vehículos de competición ó de lujo.. Además, esta tecnología simplifica la fabricación personalizada de piezas únicas y recambios bajo demanda. La tecnología rápida de sinterización por láser amplía así su radio de acción englobando todas las etapas del ciclo de vida del producto - desde el desarrollo a la producción en serie y servicio post-venta. Ofrece a sus usuarios la posibilidad de reaccionar a los continuos cambios en las exigencias del mercado de forma rápida y flexible, a un nivel desconocido hasta la fecha.

Ruben Monja
Area Ingeniería
Fundación Ikertia