Descripción general de la tecnología de prototipado rápido tridimensional

La creación rápida de prototipos (RP), también conocida como tecnología de creación rápida de prototipos 3D o impresión 3D, ha adquirido cada vez más importancia en los círculos de fabricación en los últimos años.

En comparación con las tecnologías de fabricación tradicionales, la tecnología RP destaca por ofrecer características avanzadas como fabricación digital, gran flexibilidad y adaptabilidad, producción rápida directa basada en modelos CAD, así como una gran variedad de tipos de materiales. Introducida por primera vez en la fabricación desde su desarrollo a finales de los 80, se ha convertido desde entonces en un elemento indispensable de las modernas técnicas de fabricación avanzada.

Tecnología de prototipado rápido

La tecnología de prototipado rápido se ha expandido rápidamente en el ámbito mundial con su velocidad impredecible, impactando constantemente en la percepción de los campos industriales tradicionales y apoyando y cambiando la tecnología de procesamiento.

El objetivo de este artículo es ayudar a los lectores a comprender la clasificación, las características y las ventajas de este nuevo campo en comparación con los campos de transformación tradicionales.

Nuestra concepción tradicional de la tecnología de prototipado rápido se refiere a la impresión de palabras en un trozo de papel plano utilizando una boquilla de impresión para pulverizarlas línea a línea. La "impresión 3D" puede entenderse como el apilamiento continuo de dicho "papel" en la dirección vertical de este plano, de modo que obtenemos un plano con altura. A continuación, eliminamos el "papel" medio mediante un método y obtenemos el objeto tridimensional que necesitamos.

Este proceso de impresión incluye principalmente los siguientes pasos. En primer lugar, necesitamos disponer de datos en 3D del objeto que se va a moldear, que deben dibujarse mediante un software de ingeniería 3D; a continuación, exportarlos como un tipo de datos de interfaz que puedan reconocer las máquinas de impresión 3D. A continuación, hay que cortar los datos, lo que puede entenderse como el "papel" mencionado anteriormente; una vez completado el corte, hay que transferir los datos cortados a la impresora 3D. Impresión 3D y la máquina imprime capa por capa; por último, se realiza el postprocesado del modelo impreso, como la eliminación de objetos de soporte, el esmerilado y el pulido, para obtener el objeto de diseño final que necesitamos.

Desde el desarrollo de la tecnología de prototipado rápido, se han creado muchos procesos de moldeo diferentes. Sin embargo, debido a la falta de un estándar en el sector, existen muchos nombres diferentes, sobre todo para las empresas que acaban de incorporarse a este campo y están acostumbradas a definir los procesos de moldeo en función de sus propios modelos de máquina. Aquí obviamos estos nombres de procesos personalizados y sólo presentamos algunos de los procesos principales que se reconocen actualmente en la industria.

La apariencia estereolitográfica, comúnmente conocida como SLA, es una de las tecnologías de prototipado rápido más antiguas, desarrolladas y utilizadas en la actualidad. Un rayo láser ultravioleta ilumina un depósito lleno de resina fotosensible líquida. Bajo su influencia, la resina fotosensible se solidifica rápidamente, lo que significa que el moldeo comienza cuando su mesa elevada ha alcanzado una altura inferior a la del espesor de su capa superficial líquida. Bajo control informático, un rayo láser enfocado se escanea a lo largo de una superficie líquida de acuerdo con los requisitos del perfil de la sección transversal, curando la resina en su trayectoria según sea necesario y creando láminas de plástico con esa sección transversal.

Una vez fraguada esta capa, la mesa baja una altura de capa antes de cubrir la lámina de plástico solidificada con otra capa de resina líquida para su curado por escaneado láser y curado una vez más hasta que se hayan completado todos los moldes del producto. Por último, en cuanto se han completado todos los procesos de moldeo, la mesa elevadora se eleva fuera de su superficie de resina líquida, de modo que la pieza de trabajo puede retirarse para su limpieza y tratamiento de acabado superficial según sea necesario.

El material del modelo es resina, por lo que la muestra final puede considerarse un producto de plástico. Se utiliza principalmente para la tecnología de prototipado rápido de modelos conceptuales, o para la inspección de montaje y la planificación de procesos. También puede utilizarse para fabricar moldes de fundición en lugar de moldes de cera, así como un molde maestro para moldes de pulverización de metal, moldes de resina epoxi y otros moldes blandos. Actualmente es un proceso tecnológico de prototipado rápido relativamente maduro.

Las ventajas del SLA son:

• 1. El sistema funciona de forma estable. Una vez que el sistema comienza a funcionar, todo el proceso de construcción de piezas se ejecuta de forma completamente automática, sin necesidad de supervisión especial, hasta el final de todo el proceso.
• 2. La precisión dimensional es alta, garantizando que la precisión dimensional de la pieza de trabajo esté dentro de 0,1 mm.
• 3. La calidad de la superficie es buena, siendo la superficie superior de la pieza muy lisa, mientras que las superficies laterales pueden presentar escalones y superficies desiguales entre distintos niveles.
• 4. El sistema tiene alta resolución, por lo que puede construir piezas con estructuras complejas.

Las desventajas del SLA también son bastante obvias:

• 1.Con el tiempo, la resina absorbe la humedad del aire, lo que hace que las piezas blandas y finas se doblen o curven con el tiempo.
• 2. Vida útil del tubo láser: aproximadamente 3.000 horas a un coste relativamente caro. Al mismo tiempo, todas las secciones deben escanearse y curarse simultáneamente, lo que conlleva largos tiempos de moldeo que aumentan considerablemente los costes de producción.
• 3. Los materiales disponibles deben contener resinas fotosensibles. Las piezas fabricadas con este tipo de resinas no pueden superar las pruebas de durabilidad y rendimiento térmico en la mayoría de los casos; además, las resinas fotosensibles pueden causar daños medioambientales y alergias cutáneas.
• 4. Es necesario diseñar una estructura de soporte alrededor de cada pieza producida durante los procesos de moldeo para que cada parte estructural producida durante este paso pueda ser ubicada de forma segura.

Introducción al sinterizado selectivo por láser

Sinterizado selectivo por láser, más conocido por sus siglas en inglés SLSsurgió más tarde que la SLA, pero la tecnología de prototipado rápido se ha impuesto en la industria como el proceso de más rápido crecimiento y uso. Utilizando un rodillo de aplicación de polvo, se extienden precapas de polvo sobre una plataforma de conformado antes de calentarlas a temperaturas justo por debajo del punto de sinterización del polvo para los subsiguientes procesos de curado y moldeado.

En cuanto se completa una capa, el sistema de control toma el relevo con el escaneado por rayo láser de la capa de polvo de acuerdo con el perfil de la sección transversal para la sinterización y la unión con las piezas ya formadas situadas debajo. Cuando se ha completado una capa, el banco de trabajo desciende un grosor mientras el rodillo de colocación de polvo coloca una capa uniforme y densa de polvo para sinterizar la nueva capa transversal hasta completar todo el modelo.

La tecnología SLS funciona como la tecnología de prototipado rápido en el sentido de que los rayos láser escanean capas de material utilizando rayos láser; sin embargo, en lugar de utilizar un láser de grado industrial como los que se ven con SLA o SLA sin embargo utiliza láseres de CO2 y material en polvo para la producción. La producción comienza cuando el polvo se precalienta ligeramente por debajo del punto de fusión antes de exponerlo al calentamiento por láser con el fin de aumentarlo a temperaturas de sinterización para provocar la solidificación y la unión con las capas anteriores. Entre los materiales procesados con éxito mediante SLS se incluyen la parafina, los polvos cerámicos de metales polímeros, así como sus materiales compuestos en polvo, entre muchos otros. Entre otros.

Ventajas del SLS:

• La riqueza de los materiales utilizados. En teoría, todos los materiales en polvo que pueden calentarse y fundirse con láser pueden utilizarse como materiales de moldeo, como el polvo de nailon.
• Proceso de fabricación sencillo. Debido a la amplia gama de materiales disponibles, este proceso puede producir directamente formas complejas de tecnología de prototipado rápido, moldes de cavidades, construcción tridimensional o componentes y herramientas según diferentes materiales.
• Alta precisión. Este proceso suele alcanzar una tolerancia de (0,05-2,5)mm dentro del rango total de la pieza.
• Sin necesidad de estructuras de soporte. Las capas en suspensión que aparecen durante el proceso de apilamiento pueden apoyarse directamente en polvo no sinterizado.
• Alto índice de utilización del material. Este proceso no requiere soporte y no requiere la producción de un soporte de sustrato.

Desventajas del SLS:

• Los modelos conformados directamente tienen una superficie pulverulenta poco atractiva debido a su material y a los procesos de fabricación, por lo que es necesario realizar posteriormente pasos adicionales de pulido para acercarse al acabado liso de los productos reales. También puede haber un aroma desagradable durante los procesos de sinterización. El SLS consiste en calentar la capa de polvo con luz láser hasta alcanzar su estado de fusión, entonces los materiales poliméricos o las partículas de polvo que volatilizan gas durante la sinterización láser emitirán un olor desagradable.
• A veces deben realizarse procesos adicionales como parte de este procedimiento.
• En ocasiones, también será necesario realizar otros pasos de procesamiento.
• El sinterizado de polvo de poliamida requiere varias medidas de precaución para evitar la ignición y la combustión del material debido a las temperaturas de sinterizado por escaneado láser superiores a 500 °F, como la adición de gas retardante de llama, como el nitrógeno, en el espacio de trabajo antes y durante el sinterizado por escaneado láser; el precalentamiento debe realizarse antes del sinterizado láser, mientras que la eliminación posterior al sinterizado debe realizarse dentro de un entorno cerrado para minimizar la contaminación por polvo.

Visión general del modelado por deposición fundida

El modelado por deposición fundida, comúnmente conocido por sus siglas FDM, es un método de impresión 3D industrial que utiliza materiales de filamento termoplástico (como cera, ABS, PC y nailon ) para formar objetos mediante fusión y extrusión a través de boquillas. Cada capa se construye sobre la anterior, proporcionando soporte y posicionamiento a la capa actual. A medida que aumenta la altura, también lo hacen el área y la forma del perfil de una capa; una vez que esta forma cambia significativamente, los perfiles anteriores no pueden proporcionar el posicionamiento y el soporte adecuados para las capas actuales.

Para facilitar este proceso de formación, deben diseñarse de antemano estructuras auxiliares conocidas como tecnología de prototipado rápido de soportes, con el fin de posicionar y soportar las capas posteriores durante su proceso de formación. A diferencia de la tecnología de prototipado rápido por láser, este enfoque no implica costosos equipos láser, sino que proporciona un funcionamiento sencillo con costes reducidos asociados al mantenimiento.

Las piezas de tecnología de prototipado rápido fabricadas con cera pueden fundirse fácilmente a la cera perdida. Los prototipos fabricados con material ABS se han utilizado durante mucho tiempo en el diseño, ensayo y evaluación de productos debido a su resistencia. Sin embargo, recientemente han aparecido materiales de conformado de mayor resistencia, como PC/ABS/PPSF, que permiten la fabricación directa de piezas funcionales mediante este método.

FDM tiene varias ventajas:

• No utiliza láseres, lo que hace que el mantenimiento sea una tecnología de prototipado rápido sencilla y rentable. El precio es un factor importante a la hora de determinar si un proceso de moldeo es adecuado para la impresión 3D.
• El filamento de plástico es limpio y fácil de sustituir. En comparación con otros procesos que utilizan materiales en polvo y líquidos, el filamento es más limpio, más fácil de sustituir y almacenar, y no forma polvo ni contaminación líquida en el equipo ni cerca de él.
• El postprocesado es sencillo: sólo se tarda entre unos minutos y un cuarto de hora en retirar el soporte después de que la tecnología de prototipado rápido esté lista para su uso.
• Como no hay pasos como el precolado de polvo, y el corte es relativamente grueso, la velocidad de conformado es rápida.

Las desventajas de la FDM también están relacionadas con las ventajas:

• Baja precisión, debido a la limitación del tamaño de la boquilla, lo que dificulta la construcción de modelos de alta precisión.
• Baja resistencia en la dirección perpendicular a la sección transversal.

Conlusión

Las tres tecnologías de prototipado rápido por moldeo mencionadas anteriormente resumen básicamente las direcciones principales en el campo de la RP. Una serie de nuevas tecnologías y procesos desarrollados sobre esta base se basan básicamente en este desarrollo y cambio, como la máquina Eden de Objet y la máquina Zprinter de Z-coper.

Tras décadas de desarrollo, algunos países y empresas industrialmente desarrollados reconocen cada vez más las ventajas de la tecnología RP. El importante acortamiento del ciclo de desarrollo y la notable mejora de la verificación de la fiabilidad la han convertido en el campo industrial de más rápido crecimiento en el siglo XXI.

En China, la tecnología de prototipado rápido se está promoviendo enérgicamente a nivel nacional, por un lado, y ha atraído la atención de muchas empresas, por otro. Sin embargo, desde el punto de vista de la aplicación, dista mucho de alcanzar la amplitud y profundidad de los países industriales desarrollados, y en su mayor parte permanece en el exploratorio escenario. Actualmente, la competencia en el mercado se intensifica y la sustitución de productos se acelera.

La aparición de la tecnología de prototipado rápido responde a esta tendencia del mercado, proporcionando nuevas soluciones para la verificación del diseño del producto, la verificación funcional, la verificación del aspecto y el análisis de ingeniería bajo la premisa de garantizar la fiabilidad, y acortando en gran medida el ciclo de investigación y desarrollo de nuevos productos. Desde una perspectiva a largo plazo, la tecnología de prototipado rápido seguramente impulsará e incluso cambiará la dirección del desarrollo industrial, desencadenando una nueva revolución industrial.