1. Universidad de Valladolid Diseño de Producto y Embalaje - SACC 2
SACC 2
Prototipado rápido
Pedro Sanz Angulo, psangulo@eii.uva.es
Tecnologías de prototipos rápidos, acelerando los procesos de diseño e innovación
David Torreblanca Diseñador Industrial, colaborador EDD. Fecha: 29.10.2011. Disponible en http://www.eldiariodiseno.cl
Ya hemos analizado en el artículo anterior la
importancia de las nuevas tecnologías de software,
ingeniería, y manufactura (CAD/CAM/CAE) que
optimizan y aceleran el proceso de diseño y desarrollo
de productos. Ahora es el turno de desarrollar más en
detalle las distintas tecnologías y procesos que dan vida
a estas aplicaciones, partiendo por la pregunta más
básica: ¿Qué son los prototipos rápidos?
En la familia de tecnologías CAM (manufactura asistida
por computador) se destacan las tecnologías
emergentes de prototipos rápidos, las cuales defino a
continuación:
RP: Rapid Prototyping (Prototipos Rápidos) Consisten
en máquinas que permiten generar piezas, moldes o
prototipos, directamente desde un archivo digital, en
corto tiempo. Las piezas o prototipos son construidos a
través de capas que se van adicionando una tras otra hasta configurar el volumen definido por el modelo digital; debido a esto es
que a estas tecnologías también se les llama LTM: Layered Technologies Manufacturing (Tecnologías de manufactura por capas), o
AM: Additive manufacturing (manufactura aditiva).
Estas tecnologías permiten construir piezas de diferentes materiales, tales como: polímeros, metales, cerámicos y materiales
compuestos. Ejemplos de estas tecnologías son: estereolitografía, impresión 3D, sinterizado selectivo por láser, deposición de hilo
fundido, manufactura de objetos laminados, entre otras.
Los prototipos rápidos como herramienta estratégica
Los prototipos rápidos, más que tecnologías para fabricación de pieza físicas, son una potente herramienta de comunicación,
detección de problemas, generación de mejoras, nuevas ideas, entre otros. A continuación expongo posibilidades relevantes de
estas tecnologías:
• Presentación de proyectos al interior de la empresa: por medio de diferentes prototipos el departamento de diseño
puede presentar nuevas ideas de productos a otras áreas de la empresa (diseño, ingeniería, marketing) en un corto
tiempo y a un costo comparativamente inferior al del producto fabricado industrialmente.
• Análisis técnico-funcional: por medio de prototipos funcionales podemos detectar diferentes problemas y generar
mejoras de ensamble, resistencia mecánica, funcionamiento de mecanismos y otras pruebas o tests funcionales.
• Análisis de mercado, usuario objetivo o focus group: mediante modelos de apariencia o prototipos funcionales podemos
generar una experiencia real de uso con el cliente objetivo, detectando necesidades, gustos, nuevas posibilidades de
mejora o incluso la posibilidad de generar nuevos productos.
• Presentación en ferias o eventos: los diversos prototipos nos permiten promocionar nuevas ideas de productos que aún
no se comercializan en diferentes ferias o eventos.
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Ejemplos de tecnologías de prototipos rápidos
A continuación se definen las más relevantes:
Estereolitografía (STL, SLA). Esta es la primera tecnología de prototipos rápidos que se ha desarrollado, esta emplea un láser UV
que se proyecta sobre un baño de resina fotosensible líquida para polimerizarla, generando diversas capas que se van adicionado
hasta formar la pieza final. Por medio de esta tecnología obtenemos piezas de alta definición incluso “nano-piezas” invisibles por
su tamaño al ojo humano, estas piezas pueden ser transparentes y tener resistencia para esfuerzos mecánicos, siendo utilizada
para prototipos funcionales y de apariencia.
Fotopolimerización por rayos UV (SGC: solid ground curing). Al igual que en la estereolitografía, esta tecnología se basa en la
solidificación de un fotopolímero o resina fotosensible. En la fotopolimerización, sin embargo, se irradia con una lámpara de UV
de gran potencia todos los puntos de la sección simultáneamente. Al igual que con la estereolotografía podemos obtener piezas
transparentes y resistentes a esfuerzos mecánicos.
Sinterizado selectivo por laser (SLS). Se deposita una delgada capa de polvo en una cuba que se calienta a una temperatura
ligeramente inferior al punto de fusión del polvo, el cual puede ser cerámico o metálico, posteriormente un láser CO2 sinteriza el
polvo, generando un volumen tridimensional en base al modelo digital. Con esta tecnología se pueden construir piezas y
prototipos funcionales que pueden ser sometidos a diversos esfuerzos mecánicos.
Manufactura de objetos laminados (LOM). Una hoja de papel engomado es cortada capa por capa, se posiciona automáticamente
sobre una plataforma y se prensa con un rodillo caliente que la adhiere a la hoja precedente. Esta tecnología permite obtener
modelos de apariencia, sin resistencia a esfuerzos mecánicos, además se deben realizar post-procesos de acabado superficial,
tales como lijado, aplicación de masillas y pintura para obtener una superficie homogénea.
Impresión 3D (3Dprint). Esta tecnología genera modelos tridimensionales por medio de la adición de capas horizontales de un
material que puede ser polimérico, cerámico, compuesto (cerámico-polimérico), entre otros. Esta tecnología presenta diversas
ventajas si la comparamos con el resto de tecnologías de prototipos rápidos, por ejemplo es la más económica, es de 5 a 10 veces
más veloz, permite generar geometrías muy complejas, permite aplicar colores e imágenes simultáneamente con la fabricación
del prototipo. La tecnología de impresión 3d permite fabricar prototipos funcionales, modelos de apariencia y otras diversas
tipologías de representaciones tridimensionales.
Conclusión y proyecciones
Las tecnologías de prototipos rápidos y la
manufactura aditiva están revolucionando el
mercado del diseño, ingeniería y manufactura
de productos, acelerando procesos, generando
diversos prototipos que permiten realizar test y
validaciones ,tanto al interior de las empresas
como con el usuario-objetivo y en definitiva
dando un fuerte impulso a los procesos de
innovación.
Es importante que los diferentes profesionales,
tales como diseñadores, ingenieros y
académicos comprendan, apliquen y
promuevan las ventajas en el uso de estas
tecnologías, con el objeto de acortar y facilitar
los diferentes procesos de diseño y fabricación
en distintas áreas.
(...)
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Protorapid diseña el prototipo del nuevo Mercedes de Scalextric
Arturo Cenzano / Logroño 29 de mayo de 2006). Disponible en www.cincodias.com
Protorapid, una pyme especializada en el desarrollo de prototipos rápidos en tres dimensiones, ha diseñado, en colaboración con
el Instituto Tecnológico de Aragón (ITA), el Mercedes C Clas, último coche de carreras lanzado por la juguetera Scalextric. Este
nuevo prototipo se ha realizado, a partir del modelo físico, utilizando un proceso de digitalización, para obtener las coordenadas
espaciales que permiten establecer el tamaño y volumen del coche. Protorapid aplica en sus trabajos la denominada ingeniería
inversa, un proceso de reconstrucción, de forma informática, de una pieza sin necesidad de planos ni documentación, partiendo
de un modelo físico para obtener el modelo CAD.
La colaboración, desde hace seis años, entre Protorapid y el ITA está posibilitando que las pymes puedan externalizar este tipo de
servicios de I+D+i, cuya instalación supondría un desembolso medio cercano a los 500.000 euros. La oferta de realización de
prototipos en tres dimensiones constituye, además, un factor que evita la deslocalización de empresas ya que ,
independientemente de dónde esté ubicada la fábrica, se puede reproducir el prototipo del modelo o de la pieza industrial que se
está diseñando y enviarla al cliente.
El prototipo desarrollado por Protorapid ha permitido a Scalextric disponer de un modelo listo para la fabricación, reduciendo
hasta diez veces, en tiempo y en dinero, los costes que serían necesarios para optimizar la rectificación del modelo. Estos
prototipos son productos personalizados, ya que únicamente se realiza una pieza de cada diseño.
Protorapid ha diseñado nuevos sistemas para la distribución y anclaje del Airbús 380 , así como prototipos de todas las piezas
interiores del New Beatle de Volkswagen, y de las batidoras Taurus. También ha trabajado con Azkoyen, Talgo, Teka, Jané o
General Electric.
Amplificadores para iPhone
Fecha: 22.11.2011. Disponible en Mundo Prototipo http://prototipos-rapidos.blogspot.com
La compañía GROWit que ofrece servicios de ingeniería y
prototipado desde California, fue la primera empresa de servicios
en adquirir una impresora 3D Connex500. Recientemente
realizaron una competición interna para diseñar un amplificador
para iPhone que no utilizara electricidad.
En el desarrollo de los diferentes productos se utilizaron varias
herramientas entre ellas la impresora Connex500 y su capacidad
de fabricar piezas prototipo multimaterial. Gracias a las
posibilidades de realizar piezas de formas complejas, con partes de
material elástico (gama Tango de Objet) y acabados superficiales
perfectos, obtuvieron una serie de productos innovadores.
Dada la buena calidad de todos los diseños presentados, decidirían
cual sería el diseño definitivo gracias a una votación en su blog:
Votación del mejor amplificar iPhone
(http://www.growit3d.com/blog/)
El amplificador elegido en la votación sería el que la empresa
desarrollaría posteriormente para su comercialización al público
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Primera guitarra acústica impresa en 3D
Revista de tecnología, 12 de octubre de 2012, disponible en lukor.com
Hace un rato hablábamos de la impresión 3D y de sus
cualidades como método de fabricación rápido, flexible y de
bajo coste que puede marcar un punto de inflexión y provocar
una nueva revolución industrial (por mucho que algunos
quieran cortar esta vía añadiendo DRM a los diseños). La
creatividad no tiene límites y la impresión 3D es un potente
vehículo que nos puede hacer marchar por sendas innovadoras
y cambiar la forma en la que desarrollamos prototipos o
fabricamos objetos cotidianos, como por ejemplo, una guitarra
acústica.
Guitarra 3D
La primera guitarra acústica fabricada a partir de la impresión
3D es obra de Scott Summit, un diseñador industrial que está
revolucionando el sector de las prótesis ortopédicas desde Bespoke, la compañía que ha fundado y en la que ejerce de CTO.
Summit trabaja en el diseño de prótesis y las fabrica mediante impresión 3D, que le permite bastante libertad de personalización
a los pacientes que las utilizan. Teniendo en cuenta este expertise, Summit dedicó sus vacaciones a cumplir con un viejo sueño de
juventud: tener una guitarra acústica como las que tenía Jerry García.
Siempre quise tener una guitarra de 3.000 dólares como las que hubiera tocado Jerry García
Cuando era un crío, Summit empleó 100 dólares en comprar madera y otros materiales para construir su propia guitarra pero
resultó un desastre pero, años después, este experto mundial en impresión 3D ha sido capaz de diseñar y fabricar (recurriendo a
los servicios de la empresa 3D Systems, que se dedica al prototipado en 3D) una guitarra acústica plenamente funcional que,
además, suena bien (o al menos eso afirma después de probarla).
La idea de este diseñador industrial es que este prototipo no sea la única guitarra acústica fabricada por este método (existen
guitarras eléctricas impresas en 3D también) y quiere perfeccionar el diseño para ser capaz de controlar la tonalidad y que esto
sea un parámetro que se pueda seleccionar dentro del diseño (de manera que el usuario pueda solicitar una guitarra con tonos
más graves o más agudos a voluntad y generar el CAD necesario para fabricarla).
La guitarra, al final, ha cumplido doblemente el sueño de Summet porque, además de proporcionarle el instrumento que quería,
el precio del prototipo ha rondado los 3.000 dólares. Un proyecto bastante curioso, sobre todo si tenemos en cuenta que Sommet
lo llevó a cabo durante sus vacaciones.
Diseño y fabricación de coches teledirigidos en Mondragon Unibertsitatea
N.G., 1 de octubre de 2012, Disponible en http://www.diariovasco.com
Todo diseño comienza con la lluvia de ideas, el famoso 'brainstorming', para después plasmarlo sobre el papel. El siguiente paso
es diseñar un modelo virtual y a continuación una maqueta física del concepto desarrollado. El paso final es la producción del
mismo. Esto es lo que han hecho Nerea, Maite, Josu, Julen, Hector, Aritz, Ander y Garazi, estudiantes del máster de ingenieria
industrial y el grado de diseño industrial de Mondragon Unibertsitatea. Junto a ellos otros 60 estudiantes, divididos en grupos de
ocho personas, han participado durante tres días en un 'workshop', en el que han recibido formación específica para luego ser
capaces de intercambiar conocimientos para diseñar y fabricar el prototipo a escala de un coche de control remoto.
Se trata de una experiencia piloto, basada en el 'learning by doing'-aprender haciendo-, que la universidad ha puesto en marcha
por primera vez al juntar a alumnado de distintas titulaciones y sensibilidades muy diferentes. El objetivo, enriquecer los
conocimientos de cada titulación con las experiencias que estudiantes de diferentes perfiles pueden aportar, además de fabricar
el prototipo de un coche teledirigido. Según señala el profesor de fabricación y diseño Done Ugarte «en la universidad hemos
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trabajado desde hace ya 12 años en este tipo de desarrollo de proyectos, pero ésta ha sido la primera vez en la que dos
titulaciones han unido conocimientos para ello. Ha sido una experiencia enriquecedora, y que se asemeja a la realidad laboral y al
futuro de los estudiantes», señala el profesor Ugarte. Los estudiantes coinciden en que ha sido una buena experiencia, en la que
han compartido conocimientos, aunque aseguran que el trabajo tiene lo suyo.
De esta manera, los alumnos mejoran por un lado sus competencias
científico-técnicas y por otro desarrollan su capacidad de liderazgo y trabajo
en equipo, lo que fomenta su motivación. Los estudiantes han desarrollado
durante tres días una carrocería en material compuesto de fibra de carbono
para un coche de radiocontrol eléctrico a escala 1/18. El punto de partida es
una plataforma estándar para todos, la cual incluye todo el sistema de
tracción y dirección.
Proceso y concurso en mayo
El lunes, día 29, se les formó en aspectos como 'Design Thinking' y Técnicas
de Creatividad para a continuación desarrollar el concepto del producto
mediante bocetos y técnicas de 'Rapid Prototyping'. Al día siguiente, además
de una sesión introductora sobre Diseño para la fabricación y métodos de
modelado de superficies en automoción, los alumnos recibieron formación específica sobre Maquetación. Al final de la jornada
cada grupo disponía de un modelo virtual y una maqueta física del concepto desarrollado el lunes.
Ayer fue el último día de trabajo en equipo con el desarrollo del modelo virtual CAD3D y el escaneo de la maqueta con Microsoft
Kinect para posteriormente aplicar la ingeniería inversa y obtener el modelo virtual CAD3D mejorado. De las propuestas se
seleccionarán seis para su posterior fabricación, para después competir entre ellos en un concurso que tendrá lugar en la fiesta de
la Universidad, en los San Pancracios, que se celebrarán en mayo.
Vídeos
01 - Como se hacen los prototipos (Discovery). http://www.youtube.com/watch?v=Xste7UAfAcE&feature=related
02 - Prototyping Processes for Industrial Designers. http://vimeo.com/2491519
03 - Sinterizado Laser. http://www.youtube.com/watch?v=viALLa0OfGY&feature=related
04 - Learn About Rapid Prototyping SLA. http://www.youtube.com/watch?v=nwQ5HA8sE-k&feature=related
05 - Rapid Prototyping. http://es.youtube.com/watch?v=tiYNfB9Oi9M
06 - Rapid Prototyping Video of Objet's PolyJet Process. http://es.youtube.com/watch?v=oMQWGBgNCtg&NR=1
07 - 3D Printer Eden by Objet. http://www.youtube.com/watch?v=idp_5e_qavE&feature=related
08 - Art by Rapid Prototyping – Stereolithography. http://vimeo.com/27327345
09 - Markus Kayser - Solar Sinter Project. http://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8&feature=player_embedded
10 - Williams en 60 segundos: Prototipado rápido. http://www.f1aldia.com/videos/williams-60-segundos-prototipado-rapido/
Cuestiones
• ¿Qué es el prototipado rápido y cuáles son sus características?.
• ¿Cuáles son los beneficios fundamentales que se logran con la aplicación de la tecnología de prototipos rápidos?.
• En vuestra opinión, ¿cuáles creéis que son las razones por las que esta tecnología no se emplea en un elevado número de
empresas españolas que podrían ver reducidos sus costes productivos de forma significativa gracias a su implantación?.
• Describe conceptualmente (por ejemplo a través de un mapa conceptual) la relación entre necesidades, diseño,
prototipado rápido, técnicas de fabricación,... , teniendo presente los procesos, elementos, requisitos, etc., que
consideres necesarios.
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Problema
Pertenecéis a una empresa de fabricación de teléfonos móviles que todavía no ha incorporado la tecnología de prototipos rápidos
a su sistema productivo. En la actualidad estáis teniendo algunos problemas económicos por no ser lo suficientemente rápidos en
el lanzamiento de nuevos modelos, pero prevéis que esta situación se invierta con el lanzamiento al mercado de un nuevo modelo
revolucionario.
Dadas las características del mercado, el nuevo lanzamiento debe realizarse lo antes posible para asegurar un alto nivel de
demanda frente a los posibles competidores. Por ello, planteáis a la dirección la necesidad de utilizar, entre otras técnicas, la
tecnología de prototipos rápidos. La dirección os responde con una doble cuestión, ¿qué técnica de prototipado rápido será la
más adecuada teniendo en cuenta las características de este tipo de productos?, y ¿a qué empresa/producto recurriréis?.
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