Prototipado Rapido

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SISTEMAS DE PROTOTIPADO RPIDO----------------------------------------------------

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JOSE ANTONIO ALONSO RODRIGUEZ

Ssistemas de Prototipado Rpido.

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INDICE.

1. ANTECEDENTES 1.1. Perspectiva Historica 1.2. Prototipado Rpido. Tecnologas mas difundidas. 2. DESCRIPCIN DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGAS 2.1. Estereografa (SLA) 2.2. Selective Laser Sintering (SLS) 2.3. Lamineated Object Manufacturing (LOM) 2.4. Fused Deposition Modeling (FDM) 2.5. Moldes de Silicona. Coladas de Resina. 2.6. Fabricacin por CNC 2.7. Prototipado Virtual 3. FASES DEL PROCESO 4. APLICACIONES DEL PROTOTIPADO RPIDO. 5. UN EJEMPLO DE PROTOTIPADO RPIDO EN LA PRCTICA. 6. CONCLUSIONES 7. REFERENCIAS 7.1. Libros 7.2. Publicaciones 7.3. Conferencias 7.4. Direcciones de Internet 7.5. Otras Fuentes


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1. ANTECEDENTES.

1.1.- Perspectiva Histrica.

Los Sistemas de Prototipado Rpido surgen inicialmente en 1987 con el proceso de estereolitografa (StereoLithography - SL) de la empresa norteamericana 3D Systems, proceso que solidifica capas (layers) de resina fotosensible por medio de lser. El sistema SLA-1, el primer sistema de prototipaje disponible comercialmente, fue un precursor de la mquina SLA-1, bastante popular en la actualidad. Despus de que la empresa 3D Systems comenzase la comercializacin de mquinas SL en EE.UU., las empresas japonesas NTT y Sony/D-MEC comenzaron a comercializar sus versiones de mquinas de estereolitografia en 1988 y 1989, respectivamente. Enseguida, en 1990, la empresa Eletro Optical Systems EOS en Alemania, comenz a

comercializar el sistema conocido como Stereos. A continuacin vendran las tecnologas conocidas como Fused Deposition Modeling (FDM) de la empresa americana Stratasys, Solid Ground Curing (SGC) de la israel Cubital e Laminated Object Manufacturing (LOM), todas en 1991. La tecnologa FDM hace una extrusin de filamentos de materiales termoplsticos capa por capa, semejante a la estereolitografa, solo que utilizando un cabezal de fusin del material en vez de un cabezal lser. SGC tambin trabaja con resina foto sensible a rayos UV, solo que solidifica cada capa en una nica operacin a partir de la utilizacin de mascaras creadas con tinta electrosttica en una placa de vidrio. LOM solidifica y corta hojas de papel (actualmente hojas de termoplsticos reforzados con fibras) usando un lser controlado por ordenador. Los sistemas de sinterizacin (Selective Laser Sintering - SLS) de la empresa americana DTM y el sistema Soliform de estereolitografa de la


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japonesa Teijin Seiki, se hicieron posibles en 1992. Usando calor generado por el lser, SLS funde polvos metlicos y puede ser utilizado para la obtencin directa de matrices de inyeccin. En 1993, la americana Soligen comercializo el producto conocido por Direct Shell Production Casting (DSPC), que utiliza un mecanismo de inyeccin de tinta para depositar lquido emulsionante en polvos cermicos para producir cascas que a su vez pueden ser utilizadas en la produccin de moldes y piezas inyectadas en Al, proceso desarrollado y patentado por el MIT (Massachussets Institute of Technology). En 1994 muchas otras tecnologas y sistemas surgirn: ModelMaker de la empresa americana Sanders Prototype, usando sistema de inyeccin de cera ( ink-jet wax); Solid Center de la empresa japonesa Kira Corp., utilizando un sistema lser guiado y un plotter XY para la produccin de moldes y prototipos por laminacin de papel. Sistema de estereolitografa de la empresa Fockele & Schwarze (Alemania); Sistema EOSINT, de la empresa alemana EOS, basado en sinterizacin. Sistema de estereolitografa de la empresa japonesa Ushio

El sistema Personal Modeler 2100 de la empresa BPM Technology (EUA) empezar a ser vendido comercialmente a partir de 1996 (BPM significa Ballistic Particle Manufacturing). La mquina produce piezas a partir de un cabezal de inyeccin de cera. En el mismo ao la empresa comenz a comercializar el sistema SOMOS en estereolitografia de la multinacional DuPont, y la empresa Stratasys (EUA) lanz su producto Genisys, basado en extrusin , similar al proceso de FDM, utilizando el sistema de prototipaje


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desarrollado en el Centro de Desarrollo IBM (IBMs Watson Research Center). En el mismo ao, despus de 8 aos comercializando productos en estereolitografia la empresa 3D Systems comercializo por primera vez su sistema Actua 2100, sistema basado en impresin de chorro de tinta 3D. El sistema deposita materiales en cera capa por capa a travs de 96 inyectores. En el mismo ao Z Corp. (EE.UU.) lanz el sistema Z402 3D para prototipado basado en la deposicin de polvos metlicos en 3D. Otras tecnologas y empresas aparecern y desaparecern durante los aos. Compaas como Light Sculpting (EE.UU.), Sparx AB (Suecia) y Lser 3D (Francia) desarrollaran e implementaran sistemas de prototipado, pero no tuvieron impacto industrial.

1.2.- El Prototipado Rpido: Tecnologas ms difundidas.

El Prototipado Rpido, como ya se indico, podemos concebirlo como un conjunto de tecnologas, que permiten la obtencin de prototipos, machos, moldes de inyeccin para plsticos, electrodos de erosin, etc., en menos de 24 horas a partir de un fichero CAD. Consecuencia de esta rapidez de respuesta, es que el tiempo de desarrollo de un producto puede reducirse a la mitad, la quinta e incluso la dcima parte. El prototipado rpido (RP por sus siglas inglesa de Rapid

Prototipe ) da la posibilidad de efectuar, en un tiempo relativamente corto, diversas pruebas de geometras distintas para una pieza, validar la geometra definitiva, y acometer la produccin en serie rpidamente, con unos costes de desarrollo lo ms ajustados posibles. La complejidad de las piezas o la confidencialidad de los prototipos son tambin argumentos frecuentes a la hora de optar por el RP. Dentro de la denominacin de "prototipado rpido" no se suele incluir al Mecanizado de Alta Velocidad (MAV) que, sin embargo, es una tecnologa sustractiva para mecanizar piezas o moldes a altas velocidades de


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arranque de viruta. El MAV se empieza a aplicar a piezas de acero tratado, lo que evita el paso por la electroerosin. Mecanizando directamente del bloque hasta la pieza terminada, la reduccin de los tiempos de acabado y pulido puede llegar a un 90%. Bajo el nombre de prototipado rpido se agrupan a una serie de tecnologas distintas de construccin de slidos. Todas ellas parten del corte en secciones horizontales paralelas de piezas representadas en CAD. Estas secciones caracterizan a todas las tecnologas de prototipado rpido, que construyen las formas slidas a partir de la superposicin de capas horizontales. Las tecnologas ms difundidas son en la actualidad: SLA (Estereolitografa).- Emplea un lser UV que se proyecta sobre un bao de resina fotosensible lquida para polimerizarla. Tambin la podemos encontrar con la denominacin de STL. SGC. Fotopolimerizacin por luz UV.- Al igual que en la estereolitografa, esta tecnologa se basa en la solidificacin de un fotopolmero o resina fotosensible. En la fotopolimerizacin, sin embargo, se irradia con una lmpara de UV de gran potencia todos los puntos de la seccin simultneamente. FDM. Deposicin de hilo fundido.- Una boquilla que se mueve en el plano XY horizontal deposita un hilo de material a 1C por debajo de su punto de fusin. Esta hilo solidifica inmediatamente sobre la capa precedente. SLS. Sinterizacin selectiva lser.- Se deposita una capa de polvo, de unas dcimas de mm., en una cuba que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusin del polvo. Seguidamente un lser CO2 sinteriza el polvo en los puntos seleccionados.


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LOM. Fabricacin por corte y laminado.- Una hoja de papel encolado se posiciona automticamente sobre una plataforma y se prensa con un rodillo caliente que la adhiere a la hoja precedente. DSPC. Proyeccin aglutinante.Esta tecnologa trabaja

mediante la deposicin de material en polvo en capas y la ligazn selectiva del mismo mediante la impresin de "chorro de tinta" de un material aglutinante. En general se reserva la fabricacin de precisin a la estereolitografa y cuando valora ms las prestaciones mecnicas del modelo (prototipos funcionales), se prefiere el sinterizado, que ofrece ms variedad de materiales: resinas fotosensibles, materiales termofusibles, metales, cermica, papel plastificado.


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SLATecnologa lser tamao de las piezas mximo en cm precio (en )Polimerizacin

SGCPolimerizacin

SLSSinterizacin

LOMCorte LAminado

FDMDeposicin de Hilo

SI

NO

SI

SI

NO

19 x 19 x 25 25,5x25,5x25,5 51x51x60 35,5x51x51 diametro 30x38 25,4x33x38 30,5x30,5x30,5

95.000 185.000 385.000

490.000

350.000 a 400.000

75.000

180.000

PVC,

papel,poliester y nyloncelulosa

materiales

fotopolmeros

fotopolmeros

policarbonatos, nylon y ceras

ceras,ABS y plstico tipo nylon

tecnologa ms madura;

mayor precisin; mejores propiedades mecnicas; no hacen falta soportes

material ms barato; ms variedad de materiales; no hacen falta soportes

precisin hasta 0.1%; de 5 a 10 veces ms rpido que otros mtodos; material ms barato

material ms barato. No huele. no hacen falta soportes. ms rpido que el SLA

ventajas

rpido; precisin del 2%

los modelos son traslucidos. los modelos es el equipo ms caro. complejidad; tamao del equipo

tolerancias del 5%; el proceso es ms nuevo; Salvo el PVC, todas las piezas tienen un aspecto laminado deformacin en las lminas apariencia granulada

desventajas

son quebradizos; algunas partes requieren soportes

Tabla 1.- Principales caractersticas de los sistemas de prototipado rpido ms importantes. Fuente: Elaboracin propia a partir de datos de 3systems y de Robtec.


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2.- DESCRIPCIN DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGIAS.

2.1 Estereolitografa (SLA).

Esta tcnica se basa en la posibilidad de solidificar una resina en estado lquido mediante la proyeccin de un haz lser de una frecuencia y potencia muy concretas. El proceso empieza con el elevador situado a una distancia de la superficie del lquido igual al grosor de la primera seccin a imprimir. El lser sigue la superficie de la seccin y su contorno. El lquido es un fotopolmero que cuando est expuesto a radiacin ultra-violeta solidifica. Una vez solidificada esta seccin, el elevador baja su posicin para situarse a la altura de la siguiente lmina. Se repite dicha operacin hasta conseguir la pieza final. Como consecuencia, la creacin de los prototipos se inicia en su parte inferior y finaliza en la superior. El hecho de que la resina inicialmente se encuentre en estado lquido, conlleva la necesidad de generar, no slo la geometra correspondiente a la pieza a crear, sino adems, una serie de columnas que permitan soportar la pieza a medida que sta se va generando. De no ser as las distintas capas o voladizos que son necesarios, caeran al no ser autosoportados por la resina lquida no solidificada. Para obtener unas caractersticas mecnicas ptimas de las piezas generadas, los prototipos son sometidos a un post-curado en un horno especial de rayos UVA. Ventajas complementarias: Los prototipos son translcidos, lo cual puede ser especialmente ventajoso para determinados proyectos, o para detectar interferencias interiores en conjuntos complejos.


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Tiene una precisin dimensional y un acabado superficial especialmente destacable.

Esta tcnica suele ser recomendable para piezas de dimensiones reducidas o que contengan pequeos detalles que han de definirse de manera muy clara.

Fig 1.- Esquema mquina SLA Fuente: Laboratory of Information Processing Science. Universidad de Helsinki..http://www.cs.hut.fi

Fig 2.- Piezas Fabricadas por SLA Fuente: http://www.robtec.com


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2.2 Selective laser sintering ( SLS ).

En vez de un fotopolmero, en el caso del sinterizado se utilizan polvos de diferentes materiales. Un lser sinteriza las reas seleccionadas causando que las partculas se fusionen y solidifiquen. El modo de generacin de las piezas es similar al que se explica en la seccin dedicada a la Estereolitografia, en el que los elementos son generados de capa en capa, iniciando el proceso por las cotas ms bajas y terminados por las superiores. Puede decirse que constituye el primer proceso de aglomeracin, con importancia industrial, desarrollado para la industria siderrgica. Un proceso continuo de gran flexibilidad que permite la conversin de una gran variedad de materiales, tales como finos de mineral de hierro provenientes de la extraccin en de la mina y los generados en las operaciones de cribado en planta, polvos recolectados en filtros y otros materiales que contienen hierro, en una masa compacta llamada Snter, de excelente uso en los Altos Hornos u Hornos Elctricos para producir arrabio. El proceso sencillo en su diseo y operacin, requiere no obstante de la atencin sobre ciertos factores, (tales) como la preparacin de una mezcla homognea que garantice la permeabilidad en la cama de proceso, lo que a su vez contribuye a un quemado ms rpida y uniforme. Al mismo tiempo los mecanismos de alimentacin a la zona de quemado, deben evitar el compactamiento y asegurar una cama uniforme. El proceso se lleva a cabo en una cadena movible que recibe la mezcla de materiales que contienen hierro junto con un combustible, generalmente coque fino. Cerca del extremo de alimentacin, unos quemadores a gas inician la combustin en la superficie y a medida que va avanzando el aire de la atmsfera es succionado a travs de la mezcla a ser quemada. A lo largo de la cadena mvil, en su parte inferior, existen unas cajas de viento que actan


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como succionadoras, de manera que la mezcla se vaya quemando transversalmente, hasta llegar a la zona de descarga donde la mezcla ya sinterizada y luego de cribada y enfriada, contina su camino hacia el siguiente proceso. Las temperaturas generadas en este proceso varan entre 1300 y 1400 C. Las caractersticas qumicas y fsicas de este material constituyen un factor primordial en su elaboracin, pues mediante el apropiado control de la granulometra, as como la incorporacin de los fundentes en esta etapa, contribuye al ahorro de coque en la produccin de arrabio. Las sinterizadoras constituyen una parte fundamental de las plantas integradas y siempre estn ubicadas cerca de las unidades que producen arrabio.

Fig 3.- Esquema mquina SLS Fuente: Laboratory of Information Processing Science. Universidad de Helsinki..http://www.cs.hut.fi

Dado que la materia prima se encuentra en estado slido (se trata de mircoesferas), no es necesario generar columnas que soporten al elemento mientras ste se va creando, por lo que no existen limitaciones de rotacin de pieza como consecuencia de ello, ni la necesidad de eliminarlas posteriormente.


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En contrapartida, la cmara en la que se generan las piezas se encuentra a una temperatura elevada (aprox. 1 por debajo de la de sinterizado), por lo que es necesario ser cuidadoso con la orientacin de las piezas a generar, con el fin de evitar gradientes trmicos importantes que podran torsionar la pieza, sobre todo si se trata de paredes de grosor pequeo, o grandes superficies planas, las cuales deberan de ser generadas partiendo de una seccin pequea, mediante unas rotaciones adecuadas. Para obtener unas caractersticas mecnicas ptimas de las piezas generadas, los prototipos son sometidos a un post-curado en un horno especial de rayos UVA. Ventajas complementarias: Al tratarse de un poliamida, sus caractersticas mecnicas, en muchas ocasiones, son prximas a las que corresponderan al material definitivo. Es posible realizar piezas, en las que el material tenga una carga del 30 % F.V. Son elementos especialmente indicados para conjuntos en los que se prev un montaje y desmontaje en la fase de prueba. Soportan temperaturas ms elevadas que en el caso de la Estereolitografa.

Fig 4.- Piezas fabricadas por SLS Fuente: http://www.robtec.com


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2.3.- Laminated object manufacturing (LOM).

Esta tecnologa pega y recorta lminas 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 seccin de la pieza..

Fig 5.- Esquema mquina LOM Fuente: Laboratory of Information Processing Science. Universidad de Helsinki..http://www.cs.hut.fi


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2.4.- Fused deposition modeling (FDM).

El proceso fundamental FDM implica calentar un filamento de polmero termoplstico y extrusionarlo siguiendo la forma de las secciones para formar las piezas por capas.

Fig 6.- Esquema mquina FDM Fuente: Laboratory of Information Processing Science. Universidad de Helsinki..http://www.cs.hut.fi

Fig 7.- Piezas fabricadas por FDM Fuente: http://www.3dsystems.com


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2.5.- Moldes de Silicona / Coladas de Resina.

Como

complemento

a

las

tecnologas

de

sinterizado

y

estereolitografa se pueden producir moldes de silicona utilizando los prototipos como masteres, obteniendo hasta 20 juegos en material semi-bueno, imitando polipropileno, ABS, policarbonato, poliamida.. Soft Tooling, son moldes de base Silicn o Uretanos fabricados al alto vaco, cuyo objetivo es el de crear decenas o centenas de partes idnticas geomtricamente al de un Prototipo Rpido a una fraccin del costo del Prototipo y con propiedades similares a las del producto final. Esto permite valorar mas objetivamente el producto antes de proceder a la fabricacin de los mdelos finales (moldes de inyeccin p.ej.)

2.6.- Fabricacin por CNC.

La fabricacin por CNC consiste en fabricar por medio de una herramienta cuya trayectoria y velocidad es controlada por un software de CAM en una computadora. Este mtodo es considerado uno de los mas comunes mtodos de RP con las ventajas de que el material del que se produce el RP no cambian debido al proceso, las mquinas son relativamente econmicas comparadas con los otros mtodos, sin embargo, para algunas aplicaciones an con 5 ejes simultneos no es posible reproducir geometras complejas por las que la herramienta no puede entrar.


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2.7.- Prototipado Virtual.

No esta de mas el recordar a estas alturas que una de las metodologas de prototipado que ms se utiliza en los trabajos cotidianos

consiste en el denominado prototipado virtual que no es ms ni menos que el mximo exponente de las aplicaciones de CAD y de Modelado de Slidos. Por prototipado virtual se entiende el disponer del modelado slido en el ordenador (fichero) que nos permita hacer simulaciones y clculos y diversas pruebas segn materiales, condiciones de trabajo, modificacin de cotas y formas, Elementos Finitos, renderizados virtuales con distintas texturas y materiales, animaciones, etc , pruebas que nos permitirn depurar los modelos antes de su ejecucin material .


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3.- FASES DEL PROCESO.

Se exponen a continuacin las fases del proceso de diseo + desarrollo asistido por ordenador y de la fabricacin de prototipos y moldes rpidos: FASE 1.- El diseador define su idea dibujando bocetos en 2D a la manera tradicional con lpiz, pincel y aergrafos, o con programas como Alias StudioPaint, FreeHand, Illustrator etc.

Fig 8.- Ejemplos de bocetos en STUDIO PAINT Fuente: http://www.robtec.com

FASE 2.- El boceto 2D ser exportado al software de modelado 3D, por ejemplo Alias Studio, donde se utilizar como plantilla de fondo para la construccin del modelo en 3D. El diseador industrial puede crear mltiples versiones a partir de un simple modelo y despus utilizar texturas para acabar el modelo. La alta calidad de generacin de superficies de los programas disponibles actualmente (como Alias Studio) permite modelar la pieza con la mxima precisin.


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Fig 9.- Versiones y variantes creadas en ALIAS Fuente: http://www.robtec.com

FASE 3.- Este modelo 3D permitir comprobar zonas de curvatura crtica, y realizar correcciones desde esta misma fase del proyecto. Adems este modelo permite crear una representacin fotorealista del producto, con sus dimensiones, volumen, texturas, etc. (rendering). Este render (esttico o animado) puede ser utilizado para acciones de marketing y comercializacin, por ejemplo para encuestas, paneles de testeo o la impresin de catlogos, CDs, pginas web - antes de disponer del prototipo o producto fsico.

Fig 10.- Comprobacin de volmenes y superficies en ALIAS Fuente: http://www.robtec.com


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FASE 4.- Una vez se aprueba el diseo exterior se proceder a comprobar el montaje y funcionamiento de las piezas que componen el producto. Con los datos 3D se crean modelos en estereolitografa (STL) de todas las piezas, de los cuales se pueden obtener mltiples copias en plstico o metal.

Fig 11.- Modelo master en STL desde ALIAS Fuente: http://www.robtec.com

FASE 5.- Una vez aprobado el diseo y de ser verificado el correcto funcionamiento, los datos 3D se utilizan para la fabricacin del molde de inyeccin de plstico. Por medio de Software especfico (como por ejemplo el programa TEBIS) se pueden leer las geometras importadas desde Alias y preparar los programas para la mecanizacin.

Fig 12.- Modelo master en STL desde ALIAS Fuente: http://www.robtec.com


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FASE 6.- Podra ser necesario, en el caso general, introducir modificaciones para mejorar la fabricacin de estas piezas. El desarrollo del molde estar sujeto al proceso de inyeccin de la pieza, debido a deformaciones que se producen al enfriarse el material. Por ello, puede ser necesario modificar la geometra original de la pieza en el molde para que una vez inyectada, sta sea correcta. Se definir con TEBIS la lnea de particin del molde y las correspondientes superficies de la particin. Igualmente podra ser necesario, partiendo de la geometra de la pieza, calcular las superficies offset que definen el espesor de material. FASE 7.- Terminado el molde, parte cavidad, punzn y correderas, se proceder a calcular los programas de mecanizado en CNC. El primer mecanizado ser el programa de desbaste. FASE 8.- Se procede a continuacin a calcular los programas de preacabado y acabado del molde. Programas como Tebis pueden calcular

automticamente, con el mdulos especficos como el de Restmill, las zonas de desahogo y retoque de radios (zonas que la herramienta anterior no pudo acabar). FASE 9.- Una vez terminado el molde, se controlar si la geometra diseada es idntica a la producida, con las correcciones correspondientes. An habiendo construido el molde teniendo en cuenta las deformaciones del plstico al inyectarse y enfriarse, ser necesario realizar un control dimensional de la pieza producida. FASE 10.- Para controlar la geometra, se posiciona la pieza inyectada sobre una mquina tridimensional en la cual analizamos y comparamos la geometra de CAD con la pieza real. Hacemos un control dimensional entre valor real y nominal (el de CAD). Como caso particular podramos contar con la mquina tridimensional WENZEL y el software de control METROMEC con los que podramos realizar este control.


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4.- APLICACIONES DEL PROTOTIPADO RPIDO.

Bsicamente las tcnicas de Prototipado Rpido, tienen como objetivo el obtener de manera rpida y exacta una rplica tridimensional de los diseos que han sido generados mediante aplicaciones CAD en 3D. Estos modelos fsicos pueden ser nicamente estticos y tiles en consecuencia para estudio de formas y estudio de la aceptacin por el mercado potencial al que van dirigidos, o pueden cumplir con algunas o buena parte de los requerimientos mecnicos que tendra la pieza definitiva, ofreciendo en este caso la posibilidad de realizar pruebas funcionales e incluso de homologacin antes de que existan ni siquiera los moldes preliminares. La mayor o menor similitud que pudiera existir entre el modelo definitivo y el obtenido mediante las tcnicas de prototipado rpido dependern bsicamente del sistema utilizado para su generacin y de limitaciones dimensionales, de complejidad y de postprocesos aplicados. Las ventajas que ofrece la utilizacin sistemtica de esta tecnologa dentro del proceso global del lanzamiento de un nuevo producto, y/o en el de modificacin y/o mejora de productos ya existentes, abarca a casi todos los departamentos que, directa o indirectamente estn involucrados en l. Sin nimo de ser exhaustivos, se destacarn las siguientes ventajas: Disponer de una herramienta de comunicacin fsica que no ofrece ningn tipo de duda, no permitiendo en consecuencia interpretaciones distintas y/o errneas. (En este sentido suele recordarse que: "De igual forma que una imagen vale ms que mil palabras, un prototipo vale mas que mil imgenes, planos, croquis,dibujos..."). Permite realizar determinadas pruebas funcionales, de montajes e interferencias.


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Facilita

extraordinariamente

la relacin entre

clientes

y

proveedores. Facilita, y en muchos casos estimula, la aportacin de mejoras ya sea en el diseo y su funcionalidad, ya sea en el proceso productivo. Las tcnicas de prototipado rpido pueden ser aplicadas a las mas diversas reas tales como, automocin, aeronutica, marketing, restauraciones, educacin, medicina, arqueologa, paleontologa y arquitectura.

Fig 13.- Obtencin de un modelo en STL a partir de una tomografa axial computerizada. Fuente: Instituto Brasileiro de Ensino e Pesquisa en Medicina e Odontologa Legal. Fotografas: Equipe Artis


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5.- UN EJEMPLO DE PROTOTIPADO RPIDO EN LA

PRCTICA.

Para ilustrar las fases del proceso de diseo, desarrollo, fabricacin de prototipos y moldes, se expondr a continuacin el ejemplo de diseo y elaboracin un prototipo de un carburador: El diseador define su idea dibujando bocetos en 2D, aqu en AutoCAD (FreeHand o cualquier otro programa de DAO):

Fig 14.- Dibujo de la tapa del carburador Fuente: http://www.robtec.com

El boceto 2D ser exportado al software de modelado 3D (Alias Studio, CATIA, Inventor, ...) donde se utilizar como plantilla de fondo para la construccin del modelo en 3D. El diseador industrial puede crear mltiples versiones a partir de un simple modelo y despus utilizar texturas para acabar el modelo. Este modelo 3D permitir hacer simulaciones, anlisis de Elementos Finitos o comprobar zonas de curvatura crtica, y realizar correcciones desde esta misma fase del proyecto. Adems este modelo permite


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crear una representacin fotorealista del producto, con sus dimensiones, volumen, texturas, etc. (rendering). Este render (esttico o animado) puede ser utilizado para acciones de marketing y comercializacin, por ejemplo para encuestas, paneles de testeo o la impresin de catlogos, CDs, pginas web antes de disponer del prototipo o producto fsico.

Fig 15.- Fotografa virtual de la tapa inferior desde ALIAS-Wavefrot Fuente: http://www.robtec.com

Si se aprueba el diseo exterior, se procede a comprobar el montaje y funcionamiento de las piezas que componen el producto. Con los datos 3D se crean modelos en estereolitografa (SLA) de todas las piezas, de los cuales se pueden obtener mltiples copias en plstico o metal. Una vez aprobado el diseo y el correcto funcionamiento, los datos 3D se utilizan para la fabricacin del molde de inyeccin de plstico. En el programa TEBIS se leen las geometras importadas desde Alias y se preparan los programas para la mecanizacin. Puede ser necesario introducir modificaciones para mejorar la fabricacin de estas piezas. El desarrollo del molde estar sujeto al proceso de inyeccin de la pieza, debido a deformaciones que se producen al enfriarse el material. Por ello, puede ser necesario modificar la geometra original de la pieza en el molde para que una vez inyectada, sta sea correcta. Se define con TEBIS la lnea de particin del molde y las correspondientes superficies de la particin. Igualmente es necesario, partiendo de la geometra de la pieza,


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calcular las superficies offset que definen el espesor de material. Terminado el molde, parte cavidad, punzn y correderas, se procede a calcular los programas de mecanizado. El primer mecanizado es el programa de desbaste. Se procede a calcular los programas de preacabado y acabado del molde. Tebis calcula automticamente con el mdulo de Restmill las zonas de desahogo y retoque de radios (zonas que la herramienta anterior no pudo acabar). Una vez terminado el molde, se controla si la geometra diseada es idntica a la producida. An habiendo construido el molde teniendo en cuenta las deformaciones del plstico al inyectarse y enfriarse, es necesario realizar un control dimensional de la pieza producida. Para controlar la geometra, se posiciona la pieza inyectada sobre una mquina tridimensional en la cual analizamos y comparamos la geometra de CAD con la pieza real. Hacemos un control dimensional entre valor real y nominal (el de CAD). Con la tridimensional WENZEL y el software de control METROMEC realizamos este control


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Fig 16.- Verificacin virtual del funcionamiento de la tapa Fuente: http://www.robtec.com

A continuacin se muestran las piezas de estereolitografa confeccionados en aproximadamente 2 das (con una precisin de +/- 0.01 mm):


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6.- CONCLUSIONES.La posibilidad de obtener prototipos sin que para ello sea necesario disear y fabricar los tiles supondra, adems de un evidente ahorro de tiempo, un ahorro de costes importante. Optimizar por medio de una mejora iterativa del producto en la fase de desarrollo los aspectos estticos, ergonmicos, de fabricabilidad y compatibilidad con otras piezas del mismo mdulo antes del lanzamiento de la preserie. Compatibilizar la obtencin de prototipos con otras tcnicas (fundicin en series cortas) para no emplear tcnicas de arranque de viruta y as conseguir una mayor rentabilidad en piezas de gran precisin y fiabilidad. Se esta valorando ms la precisin que la rapidez de polimerizacin, por lo que las resinas epoxi estn marcando la evolucin de la oferta de resinas para el Prototipado Rpido. Una lnea interesante en la actualidad es el desarrollo de sistemas hbridos, que tratan de combinar facilidad de polimerizacin con precisin, as como aplicaciones cada vez ms especficas, como pueden ser las resinas biocompatibles para prtesis. Estas tcnicas representan un gran paso hacia adelante, alejndonos de la imposibilidad de reflejar las ideas tan slo en formato 2D, y brindndonos la posibilidad de imprimir modelos tridimensionales en un corto espacio de tiempo. Estamos ante unas tcnicas que estn presentando un gran crecimiento en su utilizacin y en la mejora de sus prestaciones, llegndose a hablar en las ltimas ferias especializadas de Rapid Manufacturing ya que las piezas son en realidad piezas finales acabadas y no puramente prototipos . Estas tcnicas empiezan a dejar se ser consideradas en I+D (Investigacin y Desarrollo) para integrarse en lo que podemos denominar sistemas productivos ya que su objetivo, adems de facilitar el diseo, pretende ser el de fabricacin de las piezas finales.


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7.- REFERENCIAS.

7.1.- Libros.

Marshall Burns: Automated Manufacturing Fabrication: Improving Productivity in

Prentice Hall, 1993, ISBN 0-13119462-3. Jerome L Jhonson: Principles of Computer Automated Fabrication Palatino Press, Inc., 1994, ISBN 0-9618005-3-4 Lamont Wood: Rapid Automated Prototyping: An Introduction Industrial Press, 1993, ISBN 0-8311-3047-4. Larry Binstock: Rapid Prototyping System: Fast Track to Product Realization Society of Manufacturing Engineers, 1994, ISBN 0-87263-454-X. Paul Jacobs: Rapid Prototyping & Manufacturing Society of Manufacturing Engineers, MI 48121-0930.


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7.2.- Publicaciones.

Rapid Prototyping SME, Editorial and Business Oficce, Dearborn, USA

Rapid Prototyping Journal. MCB University Press Limited, Bradford, England

Rapid Prototyping Report. CAD/CAM Publishing, Inc., San Diego, USA. Virtual

Prototyping Journal. ISSN: 1359-8554.

International Conference on Rapid Development (1995) Stuttgarter Messe- und Kongressgesellschaft MBH, Stuttgart, Alemania.

Modles et Outils: Fabrication par Prototipage Rapide Agence pour la diffusion de l'information Technologique, Strasbourg, Francia

Proceedings of the 3rd. European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing (1994) The University of Nothingham, Inglaterra

artculos periodsticos de la industria automotriz de 1993 a 2001. http://www.reforma.com.mx/


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artculos periodsticos de la industria automotriz de 1993 a 2001. http://www.eluniversal.com/

7.3.- Conferencias.

The 7th Solid Freeform Fabrication Symposium. The University of Texas at Austin, TX, USA, Agosto 12-14, 1996

Rapid Prototiping and Manufacturing `96. Society of Manufacturing Engineers and the Rapid Prototyping Association, Dearborn, USA

Rapid Tooling from Rapid Prototyping and Manufacturing. Society of Manufacturing Engineers and the Rapid Prototyping Association, Los Angeles, USA.

Herramientas

de

Rapid

Prototyping

Aplicadas

a

las

Asignaturas del rea de Expresin Grfica. XIV Congreso Internacional de Ingeniera Grfica. Santander, Espaa, junio de 2002


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7.4.- Direcciones de Internet.

The Rapid Prototyping Home Page. http://stress.mech.utah.edu/home/novac/rapid.html

The Rapid Prototyping Resource Center. http://cadserv.cadlab.vt.edu/bohn/RP.html

7.5.- Otras Fuentes.

Contenidos y notas tomadas en el curso de prototipado rpido, Master Diseo gestin y desarrollo de nuevos productos, UPV, 2001.

Prototipado Rapido

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