Prototipado rápido con la impresión 3D

El prototipado forma parte del diseño y la ingeniería de los productos. Consiste en un proceso iterativo hasta conseguir un diseño optimizado y probado.

Los ingenieros diseñan un modelo conceptual inicial de una pieza o producto para probarlo. A continuación, fabrican una pieza con el diseño provisional (el prototipo), la someten a una serie de pruebas, y analizan las ventajas y posibles mejoras del diseño. Estas actividades se repiten hasta conseguir un diseño final validado que cumpla los requisitos del cliente y de ingeniería estipulados.

El prototipado rápido es el uso de tecnologías digitales para diseñar y fabricar prototipos de forma más rápida y sencilla. Lo habitual es recurrir a tecnologías de impresión 3D para fabricar los prototipos con rapidez y no tener que utilizar herramientas ni troqueles.

Más allá de la fabricación física de prototipos, el prototipado rápido engloba actividades de ingeniería como el diseño, la modificación y las pruebas.

Antes del prototipado rápido. Antes de la impresión 3D comercial, los ingenieros recurrían a una combinación de maquetas rápidas de espuma y modelos detallados de arcilla elaborados por artesanos expertos. Esto implicaba plazos de entrega mucho más largos y unos costes de fabricación más elevados para fabricar cada prototipo, lo que se traducía en menos iteraciones de piezas en todas las fases del ciclo de diseño.

El prototipado rápido empieza por la creación de un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD) para realizar la primera iteración de la pieza. A continuación, el usuario importa el archivo de diseño de la pieza en el software de impresión 3D.

A partir de ahí, el usuario ya puede pulsar el botón de imprimir. En un plazo que puede oscilar entre algunas horas y 1 o 2 días, el prototipo de la pieza estará listo para ser probado, evaluado y modificado para la siguiente iteración.

De todos modos, muchas impresoras 3D solo están preparadas para crear prototipos. Al utilizar estas impresoras, es posible que los diseños precisen modificaciones para adaptarse a las limitaciones de la fabricación tradicional.

Cuando se crean prototipos con fabricación aditiva a escala industrial, los usuarios simplemente cambian los plásticos de prototipado, como el PLA, por materiales de mayor resistencia.

Definiciones oficiales. La definición oficial de impresión 3D es un proceso de producción que utiliza la fabricación capa a capa para convertir archivos digitales CAD en objetos tangibles. El prototipado rápido es uno de los muchos casos de impresión 3D.

Uso actual. Hoy en día, el término «prototipado rápido» se asocia principalmente a la antigua era de las impresoras 3D. Estas primeras impresoras no eran capaces de ofrecer una resistencia ni una calidad de las piezas suficiente para las aplicaciones de fabricación de alto valor. Esto las relegaba únicamente a la creación de prototipos. Muchas de las primeras impresoras se comercializaron como soluciones de prototipado rápido, lo que hizo que la impresión 3D se considerara una tecnología de prototipado rápido hasta la última década. Por eso, estos términos se han confundido a menudo y «prototipado rápido» se ha convertido en un término habitual para referirse erróneamente a la «impresión 3D».

Aparición de la fabricación aditiva. Actualmente, el término ya extendido de «fabricación aditiva» connota un cambio de paradigma en la impresión 3D. Este término suele describir el uso de la impresión 3D para aplicaciones industriales de alto valor, como piezas de uso final de gran rendimiento. Implícitamente, el término certifica el alejamiento de la impresión 3D de su uso inicial limitado al prototipado rápido.

Usar una plataforma de impresión 3D para el prototipado rápido ofrece numerosas ventajas en comparación con la creación de prototipos mediante métodos tradicionales:

Plazos de entrega más rápidos. El prototipado rápido con la impresión 3D reduce los plazos de entrega de horas a días.

Con los métodos de fabricación tradicionales, los prototipos requieren nuevas herramientas y procesos adicionales, como elaborar planos, presentar pedidos de compra y gestionar plazos de envío. Sin un servicio propio de impresión 3D, obtener cada prototipo puede llevar semanas o meses.

Unos plazos de entrega más rápidos no solo reducen la impaciencia, sino que además proporcionan ventajas empresariales tangibles. Las empresas pueden innovar más rápido y sacar antes sus productos al mercado.

Economía de costes. En comparación con la fabricación tradicional, usar una impresora 3D para la creación rápida de prototipos también ofrece un coste por unidad mucho más favorable. No requiere mano de obra cualificada cara, ahorra costes de proveedores externos y no necesita herramientas ni troqueles.

Facilidad de uso. La simplicidad de usar una impresora 3D para el prototipado rápido es de agradecer. Imprimir piezas no requiere conocimientos especializados: cualquiera puede hacerlo. Los operarios especializados no tienen que dedicar muchas horas, ni es necesario elaborar planos, presentar pedidos de compra ni coordinar detalles logísticos con proveedores externos.

Prototipado y producción en la misma plataforma. Utilizar una impresora 3D industrial, en lugar de una limitada a materiales de prototipado más débiles, significa que los desarrolladores de los productos pueden crear prototipos y construir herramientas o la pieza final en la misma plataforma. Esto garantiza que la impresión de la pieza final sea satisfactoria. En lugar de realizar ajustes para adaptarse a las limitaciones de la fabricación sustractiva, los usuarios simplemente pueden pasarse a un material de mayor rendimiento.

Materiales. Muchos usuarios prefieren fabricar prototipos con materiales económicos para ahorrarse dinero cuando no se requieren propiedades mecánicas avanzadas.

Los usuarios con impresoras 3D avanzadas aptas para producción pueden reservar los materiales de alto rendimiento para prototipos funcionales en aplicaciones que exijan resistencia —por ejemplo, prototipos de fijaciones de snowboard— o para imprimir piezas finales validadas.

La impresión 3D con plásticos avanzados es también una forma más rápida y barata de producir prototipos para piezas que en última instancia deban fabricarse con metal.

El PLA (ácido poliláctico) es un material de prototipado habitual de bajo coste, un termoplástico de baja temperatura que es uno de los materiales más fáciles de imprimir en 3D.

Impresoras. Otra consideración es la impresora 3D específica que se va a utilizar para el prototipado rápido. Las organizaciones deben tener en cuenta factores como la velocidad de la impresora 3D, su fiabilidad, los materiales que admite, el tamaño de las piezas y la funcionalidad del software.

Aunque hay muchas impresoras 3D capaces de producir prototipos de baja calidad, las organizaciones deben valorar impresoras que también sean capaces de producir piezas de uso final de alta calidad.

Una máquina económica que solo imprime PLA podría parecer una solución fácil de prototipado rápido. Sin embargo, sacrificar la fiabilidad en una impresora puede entorpecer los ciclos de diseño y anular cualquier ventaja.

Centor, un galardonado fabricante de sistemas de puertas industriales, logró reducir sus costes por prototipo de 800 dólares (mediante mecanizado) a solo 10 dólares. The Digital Force redujo los plazos de entrega de una semana a apenas 12 horas.

Caldwell Manufacturing, un fabricante global de herrajes para puertas y ventanas con sede en el norte del estado de Nueva York, redujo a 30 dólares el coste de unas piezas que antes le costaban entre 500 y 3000 dólares. Estas piezas tenían unos plazos de entrega de hasta ocho semanas. Con The Digital Forge, Caldwell las fabrica internamente en solo tres días.