Esto es lo que ha ocurrido con el desarrollo de productos

El prototipado rápido ha roto la fabricación de la mejor manera posible. No se rompió como "ya no funciona", sino como "todo lo que solíamos hacer es de repente irracional".

Imagina esto: 1995, algún ingeniero necesita un prototipo de soporte. Primero, lo dibuja a mano (AutoCAD si tiene suerte). Bob se rasca la cabeza, pide tres semanas y $500. Tres semanas después, está mal porque Bob interpretó el dibujo de otra manera. Tres semanas después, está mal porque Bob interpretó el dibujo de otra manera. Y así sucesivamente.

¿Y ahora? El mismo soporte tarda cuatro horas en imprimirse y cuesta unos veinte pavos en plástico. Lo pruebas, lo odias, lo rediseñas, lo vuelves a imprimir. Hazlo cinco veces en un día si es necesario.

El NIST publicó algunas cifras al respecto¹: los ciclos de desarrollo cayeron un 60-80% en todos los sectores. Pero las cifras no reflejan el cambio psicológico. Cuando los prototipos eran caros y lentos, los ingenieros diseñaban con miedo. Cuando son baratos y rápidos, los ingenieros diseñan con audacia.

No se trata sólo de velocidad, aunque obviamente es algo muy importante. Se trata de que la iteración sea básicamente gratuita. Ideas que nunca se probarían porque "¿y si no funciona?" ahora se prueban porque "¿por qué no ver qué pasa?".

Las máquinas que lo hicieron posible

La creación rápida de prototipos no se limita a Impresión 3Dpero la fabricación aditiva acapara la mayor parte de la atención porque es el cambio más drástico con respecto a los métodos tradicionales.

Impresoras FDM: Los caballos de batalla que todo el mundo conoce

FDM (Fused Deposition Modeling) es lo que la mayoría de la gente conoce como impresión 3D. Wikipedia tiene los fundamentos cubiertos² pero no menciona la curva de aprendizaje. Estas máquinas son realmente indulgentes y frustrantes al mismo tiempo.

Así es como funciona: el filamento de plástico se calienta y se exprime por una boquilla, luego se superpone en capas para crear objetos.Todo suena sencillo hasta que la primera capa no se adhiere bien, un puente de la impresión se rompe por la mitad o el filamento se atasca en mitad de la noche cuando tienes un plazo de entrega a la mañana siguiente.

La altura de las capas suele oscilar entre 0,1 mm y 0,3 mm. ¿Precisión dimensional? Quizá ±0,1 mm si todo está alineado correctamente. La orientación de la impresión importa mucho más de lo esperado: diseños idénticos triunfan o fracasan basándose únicamente en la posición de la placa de impresión.

FDM destaca en prototipos funcionales que no necesitan ser bonitos. Es ideal para soportes, carcasas y dispositivos de prueba. Terrible para superficies lisas o detalles finos. Las líneas de las capas son siempre visibles, lo que da a todo un aspecto claramente "impreso en 3D".

SLA: cuando FDM no es suficiente

La estereolitografía utiliza resina líquida curada con luz ultravioleta. El acabado de la superficie y la resolución de los detalles son mucho mejores: puede alcanzar alturas de capa de 0,025 mm. Detalles que parecen imposibles con FDM se convierten en rutinarios.

Pero tiene un precio. La resina líquida huele fatal e irrita la piel. El postprocesado implica el lavado con alcohol, el curado UV y la eliminación cuidadosa de residuos tóxicos. Las impresoras cuestan más, los materiales cuestan más y todo lleva más tiempo si se tiene en cuenta el postprocesado.

UT Austin ha investigado en sistemas SLA avanzados³ que aumentan aún más la resolución, pero para la mayoría de las aplicaciones de fabricación de prototipos, el SLA estándar proporciona más detalles de los necesarios a un coste superior al justificado.

SLS: La opción industrial

El sinterizado selectivo por láser funde polvo de plástico con láser. No necesita estructuras de soporte, permite geometrías internas complejas y ofrece propiedades mecánicas similares a las de las piezas moldeadas por inyección.

El acabado superficial parece papel de lija fino, lo que resulta realmente útil para las pruebas funcionales. Las piezas salen de la máquina listas para su uso sin necesidad de un procesamiento posterior exhaustivo.

¿Las desventajas? Los sistemas cuestan seis cifras, la manipulación del polvo requiere una ventilación especial y los costes de material hacen que la FDM parezca barata. No es algo que la mayoría de las empresas puedan justificar por prototipado rápido necesidades.

Mecanizado rápido de prototipos: La vieja escuela se une a la nueva velocidad

El mecanizado rápido de prototipos combina el CNC tradicional con la programación moderna para entregar prototipos mecanizados en días en lugar de semanas. El tiempo de programación domina la configuración, pero cuando la precisión dimensional importa más que la velocidad, el mecanizado suele ser la única opción.

Las normas ASTM cubren la fabricación aditiva⁴ pero el mecanizado sigue reglas diferentes. Recubrimientos industriales en Ra 0,4um a Ra 3,2um según tiempo y coste. Precisión dimensional de tan solo +/- 0,01 mm mediante una configuración adecuada.

Los enfoques híbridos funcionan bien: imprimir cerca de la forma final y mecanizar las superficies críticas. Ahorra material en comparación con el mecanizado de material macizo, al tiempo que ofrece precisión donde se necesita.

Dónde se aplica realmente este material

Automoción: La velocidad cumple las normas de seguridad

A las empresas automovilísticas les encantan los prototipos rápidos porque los ciclos de desarrollo son brutales y los cambios, constantes. El problema es que incluso los prototipos de vehículos deben cumplir requisitos de seguridad.

La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carretera tiene normas para probar prototipos que complican la elección de materiales. No basta con imprimir algo en el plástico que se tenga a mano: la resistencia a la temperatura, las propiedades de impacto y la inflamabilidad son importantes para cumplir la normativa.

El desarrollo de vehículos eléctricos de Ford utilizó ampliamente la creación rápida de prototipos para las carcasas de las baterías. El utillaje tradicional suponía un plazo de 12-16 semanas, mientras que la impresión 3D lo reducía a 2-3 semanas. Y lo que es más importante, pudieron probar varios diseños de canales de refrigeración y elegir el que mejor funcionaba.

Las limitaciones de los materiales frustran a los ingenieros de automoción. El ABS sirve para la mayoría de las aplicaciones, el PETG para las piezas visibles, pero todo lo que requiera refuerzos de fibra de vidrio o aditivos especiales suele implicar materiales especiales caros.

Aeroespacial: Todo cuesta demasiado y tarda una eternidad

La creación rápida de prototipos aeroespaciales se rige por restricciones completamente distintas, ya que las consecuencias de los fallos suelen ser catastróficas. Los requisitos de la FAA para los componentes aeronáuticos⁶ son exhaustivos: documentación para todo, trazabilidad de materiales, protocolos de ensayo que hacen que los requisitos de automoción parezcan casuales.

En el desarrollo del 787 de Boeing se utilizó la fabricación de prototipos para los componentes interiores, lo que supuso un importante ahorro de tiempo en comparación con el utillaje tradicional. La distribución de la cabina cambia constantemente a medida que las aerolíneas modifican sus requisitos, por lo que resulta muy valioso poder simular rápidamente distintas configuraciones.

Los requisitos de los materiales a menudo llevan al límite las capacidades de prototipado rápido. PEEK, aleaciones de titanio, compuestos de fibra de carbono... materiales que la mayoría de los sistemas de impresión 3D no pueden manejar. Acaban necesitando equipos industriales que cuestan más que la casa de la mayoría de la gente.

Productos sanitarios: La normativa lo complica todo

La creación rápida de prototipos médicos se enfrenta a requisitos de la FDA⁷ que parecen diseñados para ralentizar el progreso. Incluso las pruebas de prototipos exigen documentación de biocompatibilidad para cualquier material que entre en contacto con los pacientes.

Las normas ISO 10993 establecen las reglas para comprobar la seguridad de un producto médico, aunque sólo se trate de un modelo temporal. Esto significa que, incluso para un uso a corto plazo, se necesitan muchas pruebas. El papeleo y los registros necesarios son a menudo mayores que los que se necesitaban antes para los productos médicos normales.

Los dispositivos específicos para cada paciente son un gran negocio en medicina. Incluyen herramientas como modelos para planificar cirugías, prótesis a medida y guías para colocar implantes. Cosas que antes eran muy difíciles de hacer con los métodos antiguos ahora son fáciles con la impresión 3D.

La biocompatibilidad de los materiales sigue siendo el factor limitante. La mayoría de los materiales de prototipado rápido no son de grado médico, por lo que acaban utilizando resinas o metales especiales caros que limitan las opciones tecnológicas.

La realidad técnica tras el bombo publicitario

Expectativas de precisión frente a realidad

La precisión de la creación rápida de prototipos puede variar enormemente en función de la tecnología utilizada, el tamaño de la pieza y el esfuerzo dedicado a la configuración. FDM suele ser +/-0,1-0,2 mm, SLA puede ser +/- 0,05 mm en componentes pequeños, el mecanizado puede llegar a +/- 0,01-0,02 mm con una buena fijación.

El acabado superficial es donde la mayoría de los prototipos decepcionan. FDM siempre muestra líneas de capa: Ra 6,3μm es lo más suave posible. SLA puede alcanzar Ra 0,8μm con ajustes de alta resolución, pero los tiempos de impresión aumentan drásticamente.

El NIST mantiene las normas de medición para la fabricación aditiva⁹, pero la mayoría de los talleres funcionan con un control de calidad informal. Deberían verificar las dimensiones críticas con una MMC, pero eso añade tiempo y costes que anulan el propósito de muchas aplicaciones.

Suele ser necesario un postprocesado para conseguir una apariencia cercana a la de producción. Lijado, alisado químico, mecanizado, todas ellas operaciones que requieren mucho trabajo y que añaden tiempo a un proceso supuestamente rápido. prototipado rápido procesos.

Materiales: La limitación perpetua

Selección de materiales prototipado rápido más que la geometría o la tecnología elegida. Los materiales de los prototipos deben ser lo suficientemente parecidos a las propiedades de producción como para que las pruebas sean significativas y, al mismo tiempo, compatibles con los equipos disponibles.

Materiales comunes y sus personalidades:

• PLA: Fácil de imprimir, huele a caramelo, inútil por encima de 60°C
• ABS: Caballo de batalla de la industria, buena resistencia al impacto, se deforma si no se tiene cuidado
• PETG: Resistente a los productos químicos, ópticamente transparente, en general se comporta bien
• Nylon: Excelentes propiedades mecánicas, pesadilla para imprimir de forma consistente
• Fibra de carbono: Alta relación resistencia-peso, caro, se come las boquillas

El Departamento de Energía impulsa el desarrollo de materiales avanzados¹⁰ pero las nuevas opciones siempre van por detrás de lo que realmente necesitan los diseñadores. Por lo general, acabamos comprometiendo los requisitos de los prototipos para adaptarlos a los materiales disponibles en lugar de encontrar materiales que se adapten a los requisitos.

Economía: Las cifras de las que nadie habla

Lo que cuesta realmente

Los costes del prototipado rápido varían enormemente. El FDM de sobremesa puede costar $2-20 por prototipo, el SLS industrial puede llegar a $200-2000 por pieza, y el mecanizado rápido de prototipos oscila entre $100-5000 en función de la complejidad.

Las comparaciones de tiempo son más drásticas que las de costes. El utillaje tradicional de moldeo por inyección requiere de 6 a 12 semanas, Impresión 3D geometría idéntica tarda de 4 a 24 horas. Los prototipos mecanizados pasan de plazos de 4-6 semanas a 1-3 días.

La investigación del MIT sobre la economía de la fabricación¹¹ muestra que la creación rápida de prototipos es rentable hasta aproximadamente 1000 piezas para la mayoría de las geometrías, pero los puntos de equilibrio dependen en gran medida de la complejidad. Las formas sencillas favorecen la fabricación tradicional en volúmenes más bajos, mientras que las características internas complejas favorecen la impresión 3D incluso en volúmenes más altos.

Entre los costes ocultos se incluyen las impresiones fallidas, los ciclos de iteración del diseño, la mano de obra posterior al proceso y el desperdicio de material de apoyo. La mayoría de las estimaciones de costes ignoran estos factores y acaban siendo optimistas.

RETORNO DE LA INVERSIÓN: Cuándo tiene sentido

La inversión en prototipado rápido puede alcanzar normalmente un retorno de la inversión (ROI) de 3 a 5 veces en 18 meses, pero sólo cuando la empresa cambia los procesos de diseño para aprovechar las capacidades. La simple sustitución del prototipado tradicional por la impresión 3D no reportará todos los beneficios a menos que se realice un cambio en el flujo de trabajo.

Los problemas de diseño se detectan a tiempo y suponen un gran ahorro. Detectar problemas de interferencias durante la creación rápida de prototipos puede costar $50. Encontrar los mismos problemas después de fabricar las herramientas de producción cuesta $50.000. Estos costes hacen que las inversiones en prototipado rápido sean fáciles de justificar.

Lo que está por venir (y lo que probablemente no)

Sistemas multimaterial: Cada vez más complicados

Los sistemas de prototipado rápido de nueva generación se enfrentan a construcciones multimaterial: propiedades diferentes en distintas regiones, electrónica integrada y rigidez variable. Carnegie Mellon está llevando a cabo una interesante investigación¹² sobre la incorporación de sensores durante la impresión para crear prototipos con instrumentación integrada.

Los sistemas de fabricación híbridos que combinan procesos aditivos y sustractivos empiezan a ser prácticos para los entornos de producción. Imprima la forma básica, mecanice las características críticas y añada operaciones secundarias, todo ello sin necesidad de manipular las piezas entre configuraciones.

Industria 4.0: Palabras de moda con algo de sustancia

La fabricación inteligente de prototipos con supervisión en tiempo real y control adaptativo está apareciendo en los sistemas industriales. Control de calidad capa por capa, ajuste automático de parámetros, mantenimiento predictivo... cosas que reducen los residuos y mejoran la coherencia.

Los servicios de prototipado rápido basados en la nube están cambiando la economía de las empresas más pequeñas. Sube archivos de diseño, los algoritmos seleccionan los métodos de producción y las ubicaciones óptimas en función de las capacidades y los requisitos de entrega. Democratiza el acceso a costosas tecnologías industriales de prototipado rápido.

Tomar decisiones que realmente funcionan

La selección de la tecnología de prototipado rápido se reduce a la comprensión de las ventajas y desventajas. Necesita un plazo de entrega rápido y no le importa el acabado superficial? FDM. Geometría interna compleja sin eliminación de soportes? SLS. ¿Tolerancias de precisión? Mecanizado. ¿Superficies lisas? SLA con postprocesado.

Los requisitos de los materiales a menudo determinan la elección de la tecnología más que la geometría. La resistencia a la temperatura, la compatibilidad química, las propiedades mecánicas... son factores que determinan qué métodos de prototipado rápido funcionarán para aplicaciones específicas.

El control de calidad debe coincidir con los requisitos de las pruebas. Los prototipos de evaluación visual no necesitan verificación dimensional. Los prototipos de pruebas funcionales necesitan que se comprueben todas las dimensiones críticas. Las normas ASTM ofrecen orientación¹³, pero la mayoría de los talleres trabajan de manera informal.

La integración con los flujos de trabajo de diseño existentes es más importante que la selección de la tecnología. Los CAD que incorporan análisis de imprimibilidad, construcción automática de soportes y optimización de la geometría para la fabricación aditiva son herramientas que reducen el tiempo que transcurre desde la idea hasta la visualización real.

El mejor uso de la producción de prototipos es cuando se incorpora a los distintos procesos de diseño y no como sustituto de ellos. Las empresas que conocen las limitaciones de la tecnología y diseñan teniendo en cuenta estas limitaciones se benefician al máximo. Las personas que anticipan que la impresión en 3D podría salvarles en todo tienden a decepcionarse.

La cuestión: la creación rápida de prototipos ha alterado por completo la industria del desarrollo de productos porque la iteración es barata y rápida. Aun así, no deja de ser una herramienta. Para tener éxito es importante utilizarla adecuadamente, pero no hacer milagros.