Creación rápida de prototipos

Una máquina de creación rápida de prototipos mediante sinterización selectiva por láser (SLS)

corte de modelo 3D
La creación rápida de prototipos es un grupo de técnicas utilizadas para fabricar rápidamente un modelo a escala de una pieza física o un ensamblaje utilizando datos tridimensionales de diseño asistido por computadora (CAD).La construcción de la pieza o ensamblaje generalmente se realiza mediante impresión 3D o tecnología de "fabricación de capas aditivas".

Los primeros métodos para la creación rápida de prototipos estuvieron disponibles a mediados de la década de 1980 y se utilizaron para producir modelos y piezas de prototipos.Hoy en día, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y se utilizan para fabricar piezas de calidad de producción en cantidades relativamente pequeñas si se desea sin la típica economía desfavorable a corto plazo.Esta economía ha fomentado las oficinas de servicios en línea.Las encuestas históricas de la tecnología RP comienzan con discusiones sobre las técnicas de producción de simulacros utilizadas por los escultores del siglo XIX.Algunos escultores modernos utilizan la tecnología de progenie para producir exposiciones y varios objetos.La capacidad de reproducir diseños a partir de un conjunto de datos ha dado lugar a problemas de derechos, ya que ahora es posible interpolar datos volumétricos a partir de imágenes unidimensionales.

Al igual que con los métodos sustractivos CNC, el flujo de trabajo CAD-CAM de diseño asistido por computadora y fabricación asistida por computadora en el proceso tradicional de creación rápida de prototipos comienza con la creación de datos geométricos, ya sea como un sólido 3D usando una estación de trabajo CAD, o cortes 2D usando un dispositivo de escaneoPara la creación rápida de prototipos, estos datos deben representar un modelo geométrico válido;a saber, uno cuyas superficies límite encierran un volumen finito, no contienen agujeros que expongan el interior y no se repliegan sobre sí mismos.En otras palabras, el objeto debe tener un “adentro”.El modelo es válido si para cada punto en el espacio 3D la computadora puede determinar de manera única si ese punto se encuentra dentro, sobre o fuera de la superficie límite del modelo.Los posprocesadores CAD aproximarán las formas geométricas CAD internas de los proveedores de aplicaciones (por ejemplo, B-splines) con una forma matemática simplificada, que a su vez se expresa en un formato de datos específico que es una característica común en la fabricación aditiva: formato de archivo STL, un estándar de facto para transferir modelos geométricos sólidos a máquinas SFF.

Para obtener las trayectorias de control de movimiento necesarias para impulsar el SFF real, la creación rápida de prototipos, la impresión 3D o el mecanismo de fabricación aditiva, el modelo geométrico preparado generalmente se corta en capas y las rebanadas se escanean en líneas (produciendo un "dibujo 2D" que se usa para generar trayectoria como en la trayectoria de CNC), imitando a la inversa el proceso de construcción física de capa a capa.

1. Áreas de aplicación
La creación rápida de prototipos también se aplica comúnmente en la ingeniería de software para probar nuevos modelos comerciales y arquitecturas de aplicaciones, como la industria aeroespacial, automotriz, servicios financieros, desarrollo de productos y atención médica.Los equipos industriales y de diseño aeroespacial confían en la creación de prototipos para crear nuevas metodologías de AM en la industria.Con SLA, pueden crear rápidamente múltiples versiones de sus proyectos en unos pocos días y comenzar a probar más rápido.La creación rápida de prototipos permite a los diseñadores/desarrolladores proporcionar una idea precisa de cómo resultará el producto terminado antes de invertir demasiado tiempo y dinero en el prototipo.La impresión 3D que se utiliza para la creación rápida de prototipos permite que se lleve a cabo la impresión 3D industrial.Con esto, podría tener moldes a gran escala para piezas de repuesto que se bombean rápidamente en un corto período de tiempo.

2. Historia
En la década de 1970, Joseph Henry Condon y otros en Bell Labs desarrollaron el Sistema de diseño de circuitos Unix (UCDS), automatizando la tarea laboriosa y propensa a errores de convertir manualmente dibujos para fabricar placas de circuitos con fines de investigación y desarrollo.

En la década de 1980, los responsables políticos y los gerentes industriales de EE. UU. se vieron obligados a tomar nota de que el dominio de Estados Unidos en el campo de la fabricación de máquinas herramienta se evaporó, en lo que se denominó la crisis de las máquinas herramienta.Numerosos proyectos buscaron contrarrestar estas tendencias en el área tradicional CNC CAM, que había comenzado en los EE. UU.Más tarde, cuando Rapid Prototyping Systems salió de los laboratorios para ser comercializados, se reconoció que los desarrollos ya eran internacionales y que las empresas estadounidenses de creación rápida de prototipos no se permitirían el lujo de dejar escapar una iniciativa.La Fundación Nacional de Ciencias era un paraguas para la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), el Departamento de Energía de EE. UU., el NIST del Departamento de Comercio de EE. UU., el Departamento de Defensa de EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Oficina de Naval Research coordinó estudios para informar a los planificadores estratégicos en sus deliberaciones.Uno de esos informes fue el Informe del panel sobre creación rápida de prototipos en Europa y Japón de 1997, en el que Joseph J. Beaman, fundador de DTM Corporation, ofrece una perspectiva histórica:

Las raíces de la tecnología de creación rápida de prototipos se remontan a prácticas en topografía y fotoescultura.Dentro de TOPOGRAFÍA, Blanther (1892) sugirió un método en capas para hacer un molde para mapas topográficos de papel en relieve. El proceso consistía en cortar las líneas de contorno en una serie de placas que luego se apilaban.Matsubara (1974) de Mitsubishi propuso un proceso topográfico con una resina de fotopolímero fotoendurecible para formar capas delgadas apiladas para hacer un molde de fundición.La FOTOESCULTURA fue una técnica del siglo XIX para crear réplicas tridimensionales exactas de objetos.El más famoso, Francois Willeme (1860) colocó 24 cámaras en una matriz circular y fotografió un objeto simultáneamente.La silueta de cada fotografía se utilizó luego para tallar una réplica.Morioka (1935, 1944) desarrolló una fotoescultura híbrida y un proceso topográfico utilizando luz estructurada para crear fotográficamente las líneas de contorno de un objeto.Luego, las líneas podrían desarrollarse en hojas y cortarse y apilarse, o proyectarse en material de stock para tallar.El Proceso Munz (1956) reprodujo una imagen tridimensional de un objeto al exponer selectivamente, capa por capa, una emulsión fotográfica sobre un pistón descendente.Después de la fijación, un cilindro transparente sólido contiene una imagen del objeto.

—Joseph J. Beaman
“Los orígenes de la creación rápida de prototipos: RP proviene de la industria CAD en constante crecimiento, más específicamente, el lado de modelado sólido de CAD.Antes de que se introdujera el modelado sólido a fines de la década de 1980, los modelos tridimensionales se creaban con marcos y superficies de alambre.Pero no fue hasta que se desarrolló el verdadero modelado de sólidos que se pudieron desarrollar procesos innovadores como RP.Charles Hull, quien ayudó a fundar 3D Systems en 1986, desarrolló el primer proceso de RP.Este proceso, llamado estereolitografía, construye objetos mediante el curado de capas delgadas consecutivas de ciertas resinas líquidas sensibles a la luz ultravioleta con un láser de baja potencia.Con la introducción de RP, los modelos sólidos CAD podrían cobrar vida repentinamente”.

Las tecnologías denominadas Solid Freeform Fabrication son lo que hoy reconocemos como creación rápida de prototipos, impresión 3D o fabricación aditiva: Swainson (1977), Schwerzel (1984) trabajaron en la polimerización de un polímero fotosensible en la intersección de dos rayos láser controlados por computadora.Ciraud (1972) consideró la deposición magnetostática o electrostática con haz de electrones, láser o plasma para el revestimiento de superficies sinterizadas.Todos estos fueron propuestos, pero se desconoce si se construyeron máquinas de trabajo.Hideo Kodama del Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya fue el primero en publicar un relato de un modelo sólido fabricado utilizando un sistema de creación rápida de prototipos de fotopolímeros (1981).El primer sistema de creación rápida de prototipos en 3D basado en el modelado por deposición fundida (FDM) fue fabricado en abril de 1992 por Stratasys, pero la patente no se emitió hasta el 9 de junio de 1992. Sanders Prototype, Inc presentó la primera impresora 3D de inyección de tinta (3DP) de escritorio que usaba un Invención del 4 de agosto de 1992 (Helinski), Modelmaker 6Pro a fines de 1993 y luego la impresora 3D industrial más grande, Modelmaker 2, en 1997. Z-Corp usa la unión de polvo MIT 3DP para Direct Shell Casting (DSP) inventada en 1993 el mercado en 1995. Incluso en esa fecha temprana, se consideraba que la tecnología tenía un lugar en la práctica de fabricación.Una salida de baja resolución y baja resistencia tuvo valor en la verificación del diseño, la fabricación de moldes, las plantillas de producción y otras áreas.Los productos han avanzado constantemente hacia usos de mayor especificación.Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) comenzó como un fabricante de impresión 3D de creación rápida de prototipos con el Modelmaker 6Pro para hacer patrones de termoplástico de sacrificio de modelos CAD que utiliza la tecnología de inyección de tinta de una sola boquilla Drop-On-Demand (DOD).

Constantemente se buscan innovaciones para mejorar la velocidad y la capacidad de hacer frente a las aplicaciones de producción en masa.Un desarrollo espectacular que RP comparte con las áreas de CNC relacionadas es el código abierto gratuito de aplicaciones de alto nivel que constituyen una cadena de herramientas CAD-CAM completa.Esto ha creado una comunidad de fabricantes de dispositivos de baja resolución.Los aficionados incluso han hecho incursiones en diseños de dispositivos con efecto láser más exigentes.

La lista más antigua de procesos de RP o tecnologías de fabricación publicada en 1993 fue escrita por Marshall Burns y explica cada proceso muy detalladamente.También menciona algunas tecnologías que fueron precursoras de los nombres de la lista a continuación.Por ejemplo: Visual Impact Corporation solo produjo una impresora prototipo para la deposición de cera y luego otorgó la licencia de la patente a Sanders Prototype, Inc.BPM usó las mismas impresoras de inyección de tinta y materiales.