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Guía sobre la creación rápida de prototipos para el desarrollo de productos

Right hand robotics - Rapid prototyping

La creación de prototipos es una parte esencial del proceso de desarrollo de productos; sin embargo, muchas veces ha supuesto una traba.

Los diseñadores de productos y los ingenieros creaban modelos de prueba de concepto improvisados utilizando herramientas básicas, pero la creación de prototipos funcionales y de piezas de calidad solía requerir los mismos procesos que los productos finales. Los procesos de fabricación tradicionales, como el moldeo por inyección, requieren utillaje y configuraciones costosas, lo que implica un coste prohibitivo para la creación de prototipos de bajo volumen y a medida.

La creación rápida de prototipos ayuda a las empresas a convertir sus ideas en pruebas de concepto realistas, transformar estos conceptos en prototipos de alta fidelidad que tienen el mismo aspecto y funcionalidad que los productos finales y llevar a los productos a lo largo de una serie de etapas de validación hasta la producción en cadena.

Con la creación rápida de prototipos, los diseñadores y los ingenieros pueden crear prototipos directamente a partir de datos de diseño asistido por ordenador (CAD) más rápido que nunca, y llevar a cabo revisiones rápidas y frecuentes de sus diseños basadas en ensayos y opiniones reales.

En esta guía, descubrirás cómo la creación rápida de prototipos puede integrarse en el proceso de desarrollo de productos, cuáles son sus aplicaciones y qué herramientas de creación rápida de prototipos están disponibles actualmente para los equipos de desarrollo de productos.

¿Qué es la creación rápida de prototipos?

La creación rápida de prototipos es el conjunto de técnicas que se usan para fabricar rápidamente un modelo a escala de una pieza o un conjunto de piezas físico a partir de datos de diseño asistido por ordenador (CAD) tridimensionales. Ya que estas piezas o conjuntos se suelen construir mediante técnicas de fabricación aditiva, en vez de con métodos sustractivos tradicionales, el concepto ha quedado íntimamente ligado a la fabricación aditiva y la impresión 3D.

La fabricación aditiva es perfecta para la creación rápida de prototipos. Ofrece una libertad casi ilimitada en la forma, no requiere utillaje y puede producir piezas con propiedades mecánicas muy similares a la de diversos materiales hechos con métodos de fabricación tradicionales. Las tecnologías de impresión 3D existen desde los años 80, pero en la mayoría de los casos, su alto coste y complejidad limitaba su uso a grandes empresas u obligaba a empresas más pequeñas a externalizar la producción a servicios especializados y a esperar semanas entre cada iteración.

Con la impresión 3D, los ingenieros y diseñadores pueden realizar iteraciones rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos y llegar más rápidamente a la fase de producción.

Con la impresión 3D, los ingenieros y diseñadores pueden realizar iteraciones rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos y llegar más rápidamente a la fase de producción.

La llegada de la impresión 3D de sobremesa y de trabajo ha cambiado esta situación y fomentado un aumento de la adopción de esta tecnología que no da señales de detenerse. Con la impresión 3D in situ, los ingenieros y diseñadores pueden realizar iteraciones rápidamente entre diseños digitales y prototipos físicos. Ahora es posible crear prototipos en un día y realizar múltiples iteraciones del diseño, el tamaño, la forma o el ensamblaje basándose en resultados de ensayos y análisis reales. En definitiva, el proceso de creación rápida de prototipos ayuda a las empresas a llevar mejores productos al mercado con mayor rapidez que la competencia.

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Ventajas de la creación rápida de prototipos

Realiza y explora conceptos de forma más rápida

La creación rápida de prototipos convierte ideas iniciales en exploraciones del concepto de bajo riesgo con la apariencia de productos reales en poco tiempo. Permite a los diseñadores ir más allá de la visualización virtual y hace más fácil entender el aspecto del diseño y la sensación que produce, así como comparar conceptos.

Comunica tus ideas de manera efectiva

Los modelos físicos dan a los diseñadores la capacidad de compartir sus conceptos con compañeros, clientes y colaboradores para transmitir ideas de formas que no son posibles con la mera visualización de los diseños en una pantalla. La creación rápida de prototipos hace posible obtener información clara y útil por parte del usuario que es esencial para que los creadores entiendan las necesidades del usuario y refinen y mejoren sus diseños.

Diseña de manera iterativa e incorpora cambios al instante

El diseño es siempre un proceso iterativo que requiere varios ciclos de ensayo, evaluación y refinamiento antes de llegar a un producto final. La creación rápida de prototipos con la impresión 3D ofrece la flexibilidad de crear prototipos realistas de forma más rápida e implementar cambios de manera inmediata, lo que mejora este proceso crucial de ensayo y error.

Iteraciones consecutivas de una pinza robótica de recogida y colocación cuyos prototipos se han creado en impresoras SLA de Formlabs.

Un buen modelo es el de un ciclo de diseño de 24 horas: diseñar durante el horario de trabajo, dejar que las piezas del prototipo se impriman en 3D por la noche y realizar ensayos al día siguiente, modificar el diseño y vuelta a empezar.

Ahorra tiempo y dinero

Con la impresión 3D no es necesario invertir en utillaje e instalaciones caras. El mismo equipo se puede usar para producir geometrías distintas. La creación rápida de prototipos in situ elimina los altos costes y plazos de producción que conlleva la externalización.

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Realiza ensayos exhaustivos y minimiza los fallos de diseño

En el diseño y la fabricación de productos, encontrar y arreglar con antelación los fallos de diseño puede ayudar a las empresas a evitar revisiones de diseño y cambios de utillaje costosos a lo largo del proceso.

La creación rápida de prototipos permite a los ingenieros someter a ensayos exhaustivos piezas que tienen el mismo aspecto y funcionamiento que los productos finales, lo que reduce el riesgo de que aparezcan problemas de usabilidad o fabricabilidad antes de pasar a la fase de producción.

Aplicaciones de la creación rápida de prototipos

Gracias a las diversas tecnologías y materiales disponibles, la creación rápida de prototipos sirve de apoyo a diseñadores e ingenieros a lo largo del desarrollo de los productos, desde los modelos conceptuales iniciales hasta las fases de ingeniería, ensayos de validación y producción.

El proceso de desarrollo del hardware. Fuente: Ben Einstein, Bolt

 

Prototipos de prueba de concepto y modelos conceptuales

Los prototipos de modelos conceptuales o de prueba de concepto ayudan a los diseñadores de productos a validar ideas y suposiciones y a poner a prueba la viabilidad de un producto. Los modelos conceptuales físicos sirven para mostrar una idea a los accionistas, fomentar el debate e influir en la aceptación o el rechazo de la idea mediante exploraciones del concepto de bajo riesgo.

La creación de prototipos de prueba de concepto se produce en las primeras etapas del proceso de desarrollo de productos, y estos prototipos presentan la funcionalidad mínima necesaria para validar las suposiciones antes de pasar el producto a las siguientes etapas de desarrollo.

Una prueba de concepto debe ser sencilla, lo suficiente para imitar el funcionamiento del producto. Por ejemplo, la prueba de concepto de un soporte de carga podría ser simplemente una carcasa impresa en 3D conectada a un cable de carga USB estándar. 

La clave para elaborar modelos conceptuales con éxito es la velocidad. Los diseñadores necesitan generar una gran cantidad de ideas antes de construir y elaborar modelos físicos. En esta etapa, la usabilidad y la calidad son menos importantes y los equipos se valen de piezas comerciales tanto como pueden.

Diseñadores del estudio de diseño y asesoría suizo Panter & Tourron han usado la impresión 3D SLA para pasar del concepto a la demostración en dos semanas.

Las impresoras 3D son herramientas ideales para elaborar modelos conceptuales. Su tiempo de elaboración para convertir un archivo informático en un prototipo físico es imbatible, lo que permite a los diseñadores someter a ensayo más conceptos con mayor rapidez. Al contrario que la mayoría de las herramientas de taller y de fabricación, las impresoras 3D de sobremesa están adaptadas para las oficinas, lo que elimina la necesidad de un espacio reservado expresamente para ellas.

Prototipos estéticos

Los prototipos estéticos representan el producto final a un nivel abstracto, pero pueden carecer de muchos de sus aspectos funcionales. Su propósito es dar una mejor idea de cómo será el producto final y cómo el usuario final interactuará con él. La ergonomía, las interfaces de usuario y la experiencia general del usuario pueden validarse con prototipos estéticos antes de dedicar un tiempo considerable al diseño y la ingeniería para desarrollar por completo las características del producto.

El desarrollo de prototipos estéticos suele empezar con bocetos, modelos de espuma o arcilla, y luego pasa al modelado CAD. A medida que los ciclos de diseño avanzan de una iteración a la siguiente, la creación de prototipos oscila entre los renders digitales y los modelos físicos. Al finalizar el diseño, los equipos de diseño industrial tratan de crear prototipos estéticos parecidos al producto final usando los colores, materiales y acabados (CMF) reales que especifican para el producto final.

Prototipos estéticos de la impresora 3D SLA Form 2 con diferentes soluciones para la colocación de los cartuchos.

Prototipos funcionales

En paralelo al proceso de diseño industrial, los equipos de ingeniería trabajan en otra serie de prototipos para someter a ensayo, iterar y perfeccionar los sistemas mecánicos, eléctricos y térmicos que componen el producto. Estos prototipos funcionales pueden tener un aspecto diferente al del producto final, pero cuentan con las tecnologías y funciones básicas que deben desarrollarse y someterse a ensayo. 

Muchas veces estas funciones básicas se desarrollan y someten a prueba en subunidades separadas antes de integrarse en un único prototipo de producto. Este enfoque de subsistemas aísla las variables, lo que facilita a los equipos la división de responsabilidades y la garantía de fiabilidad a un nivel más granular antes de agrupar todos los elementos.

Primeros prototipos funcionales de la impresora 3D SLA de gran formato Form 3L.

Prototipos de ingeniería

El prototipo de ingeniería es donde el diseño y la ingeniería se unen para crear una versión viable mínima del producto comercial final, que tiene un diseño orientado a la fabricación. Estos prototipos se utilizan para realizar ensayos de usuario en el laboratorio con un grupo selecto de usuarios piloto, con el fin de comunicar la intención de producción a los especialistas en utillaje en las etapas posteriores y de servir de demostración en las primeras reuniones de ventas.

En esta etapa, los detalles cobran cada vez más importancia. La impresión 3D permite a los ingenieros crear prototipos de alta fidelidad que representen con precisión el producto final. Esto facilita la verificación del diseño, el ajuste, la función y la fabricabilidad del producto antes de invertir en utillaje caro y pasar a la fase de producción en la que el tiempo y el coste que requiere realizar cambios se vuelve cada vez más prohibitivo.

El fabricante de cámaras submarinas Paralenz ha usado la impresión 3D para crear prototipos funcionales que superaran los ensayos a más de 200 metros bajo el nivel del mar.

Los materiales de impresión 3D avanzados son capaces de reproducir el aspecto, las sensaciones y las características de los materiales de piezas creadas mediante procesos de fabricación tradicionales como el moldeo por inyección. Diversos materiales pueden simular piezas con detalles y texturas precisos, superficies lisas de tacto suave y de baja fricción, carcasas rígidas y robustas, y componentes transparentes. A las piezas impresas en 3D se les puede dar un acabado con procesos secundarios como el lijado, el pulido, la pintura o el galvanizado para reproducir cualquier rasgo visual de una pieza final. También pueden combinarse para crear conjuntos de múltiples piezas y materiales.

Los ingenieros de Wohlers construyeron un prototipo estético y funcional de un humidímetro a partir de varios materiales, con una carcasa rígida y botones de tacto suave.

Los ingenieros de Wohlers construyeron un prototipo estético y funcional de un humidímetro a partir de varios materiales, con una carcasa rígida y botones de tacto suave.

Los prototipos para ingeniería requieren ensayos funcionales y de usabilidad exhaustivos para comprobar cómo funciona una pieza o un ensamblaje cuando se somete a los rigores y las condiciones de su uso real. La impresión 3D ofrece plásticos para ingeniería que se usan para realizar prototipos de alto rendimiento capaces de soportar esfuerzos térmicos, químicos y mecánicos. 

Ensayos de validación y fabricación

La creación rápida de prototipos permite a los ingenieros crear lotes pequeños, soluciones puntuales a medida y subconjuntos para proyectos de ensayos de validación del diseño, la ingeniería y el producto, que ponen a prueba la fabricabilidad del prototipo.

La impresión 3D facilita someter a ensayo las tolerancias con el proceso de fabricación actual en mente, y llevar a cabo ensayos exhaustivos tanto en la empresa como en el entorno de uso, antes de pasar a la producción en cadena.

El utillaje rápido impreso en 3D también puede combinarse con los procesos de fabricación tradicionales, como el moldeo por inyección, el termoformado o el moldeo de silicona, para mejorar los procesos de producción mediante la mejora de su flexibilidad, agilidad, ampliabilidad y rentabilidad. La tecnología también proporciona una solución eficaz para crear dispositivos de sujeción y fijaciones de ensayo a medida que simplifican los ensayos y certificaciones funcionales mediante la recopilación de datos útiles.

La empresa de diseño de dispositivos médicos Coalesce utiliza dispositivos de sujeción a medida para sus ensayos internos.

Con la impresión 3D, el diseño no tiene por qué acabar cuando comienza la producción. Las herramientas de creación rápida de prototipos permiten a los diseñadores e ingenieros mejorar continuamente sus productos y actuar de forma rápida y eficaz para resolver problemas en la cadena con disposiciones de sujeción y fijaciones que mejoren los procesos de montaje o control de calidad.

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Herramientas y métodos para la creación rápida de prototipos

Fabricación aditiva

La creación rápida de prototipos se ha convertido prácticamente en sinónimo de fabricación aditiva e impresión 3D. Existen múltiples procesos de impresión 3D; los más utilizados para la creación rápida de prototipos son el modelado por deposición fundida (FDM), la estereolitografía (SLA) y el sinterizado selectivo por láser (SLS).

Modelado por deposición fundida (FDM)

La impresión 3D por modelado por deposición fundida (FDM), también conocido como fabricación con filamento fundido (FFF), construye piezas derritiendo y extruyendo un filamento termoplástico que un extrusor deposita capa por capa en el área de impresión.

El FDM es la forma más extendida de impresión 3D al alcance del consumidor, fomentada por la aparición de las impresoras 3D para aficionados. Pero las impresoras FDM profesionales también son populares entre los diseñadores e ingenieros.

El FDM es la técnica que menor resolución y precisión tiene comparada con otros procesos de impresión 3D en plástico. No es la mejor opción para imprimir diseños complejos o piezas con relieves complicados. Se puede obtener un acabado de mayor calidad mediante procesos de pulido químicos y mecánicos. Algunas impresoras 3D FDM profesionales utilizan soportes solubles para mitigar algunos de estos problemas.

El FDM funciona con una variedad de termoplásticos estándar, como el ABS, el PLA y sus diversas mezclas, mientras que las impresoras FDM más avanzadas también ofrecen una gama más amplia de termoplásticos de ingeniería o incluso de materiales compuestos. Para la creación rápida de prototipos, las impresoras FDM son especialmente útiles para producir piezas sencillas, como las que normalmente se mecanizan.

Estereolitografía (SLA)

Las impresoras 3D SLA usan un láser para curar resina líquida y convertirla en plástico endurecido en un proceso conocido como fotopolimerización. La SLA es uno de los procesos más populares entre los profesionales por su alta resolución, su precisión y la versatilidad de sus materiales.

Un prototipo rápido impreso en 3D de reloj fabricado con la impresora 3D SLA Form 3 al lado del producto final.

Las piezas impresas mediante SLA presentan la mayor resolución y precisión, los detalles más nítidos y el acabado superficial más suave de todas las tecnologías de impresión 3D en plástico, lo que convierte a la SLA en una gran opción para prototipos estéticos de alta fidelidad y prototipos funcionales que requieren tolerancias ajustadas.

Aunque la principal ventaja de la SLA reside en la versatilidad de su catálogo de resinas. Los fabricantes de materiales han creado innovadoras fórmulas de resina fotopolimerizable para SLA con una gran variedad de propiedades ópticas, materiales y térmicas capaces de igualar las de los termoplásticos estándar, industriales y para ingeniería.

Con la Draft Resin, la impresión 3D SLA también es una de las herramientas de creación de prototipos más rápidas, hasta 10 veces más rápida que la impresión 3D FDM.

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Sinterizado selectivo por láser (SLS)

El sinterizado selectivo por láser es la tecnología de fabricación aditiva más común para aplicaciones industriales. Ingenieros y fabricantes de diversos sectores confían en la impresión 3D SLS por su capacidad de generar piezas resistentes y funcionales.

Las impresoras 3D SLS usan un láser de alta potencia para fundir pequeñas partículas de polvo de polímero. El polvo sin fundir sirve como soporte para la pieza durante la impresión y elimina la necesidad de agregar expresamente estructuras de soporte. Esto hace que la impresión por SLS sea ideal para geometrías complejas, como relieves interiores, socavados, paredes delgadas y negativos de piezas. Las piezas producidas mediante SLS tienen excelentes características mecánicas, con una resistencia similar a la de las piezas moldeadas por inyección.

La impresión 3D SLS puede producir prototipos funcionales y prototipos de ingeniería resistentes para someter los productos a rigurosos ensayos funcionales.

En la creación rápida de prototipos, la impresión 3D SLS se utiliza principalmente para prototipos funcionales y prototipos de ingeniería para someter los productos a rigurosos ensayos funcionales (por ejemplo, canalizaciones o soportes) y para recabar opiniones de los clientes.

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Herramientas CNC

Las herramientas de control numérico computerizado (CNC) son procesos de fabricación sustractiva, a diferencia del FDM, la SLA o el SLS. Estos procesos comienzan con bloques, barras o varillas sólidos de plástico, de metal o de otros materiales a los que se les da forma retirando material de ellos mediante procesos de corte, perforación, taladrado y amolado.

Entre las herramientas CNC se encuentra el mecanizado CNC, que quita material de la pieza de dos formas: con una herramienta giratoria y la pieza fija (fresado), o haciendo girar la pieza con una herramienta fija (torneado). Las cortadoras láser usan un láser para grabar o cortar a través de una amplia gama de materiales con mucha precisión. Las cortadoras por chorro de agua usan agua mezclada con materiales abrasivos y presión alta para cortar a través de casi cualquier material. Las fresadoras y los tornos CNC pueden tener varios ejes, lo que les permite gestionar diseños más complejos. Las cortadoras láser y por chorro de agua son más adecuadas para las piezas planas.

Las herramientas CNC puedan dar forma a piezas a partir de plásticos, metales blandos, metales duros (máquinas industriales), madera, acrílico, piedra, vidrio, materiales compuestos. Las herramientas CNC son más complicadas de configurar y manejar que las herramientas de fabricación aditiva, mientras que algunos materiales y diseños pueden requerir un utillaje, manipulación, posicionamiento y procesamiento especiales, lo que las hace costosas para piezas puntuales en comparación con los procesos aditivos.

En la creación rápida de prototipos, son ideales los diseños sencillos, las piezas estructurales, los componentes metálicos y otras piezas que no son factibles o rentables de producir con herramientas aditivas.

Comparación de herramientas para la creación rápida de prototipos

Modelado por deposición fundida (FDM)Estereolitografía (SLA)Sinterizado selectivo por láser (SLS)Herramientas CNC
Resolución★★☆☆☆★★★★★★★★★☆★★★★★
Precisión★★★★☆★★★★★★★★★★★★★★★
Acabado de la superficie★★☆☆☆★★★★★★★★★☆★★★★★
Facilidad de uso★★★★★★★★★★★★★★☆★★★☆☆
Diseños complejos★★★☆☆★★★★☆★★★★★★★★☆☆
Volumen de impresiónHasta 300 × 300 × 600 mm (impresoras 3D de escritorio y de trabajo)Hasta 300 × 335 × 200 mm (impresoras 3D de escritorio y de trabajo)Hasta 165 × 165 × 300 mm (impresoras 3D de trabajo industriales)Depende de la herramienta
MaterialesTermoplásticos estándar, como el ABS, el PLA y sus diversas mezclas.Variedades de resina (plásticos termoendurecibles). Resinas estándar, para ingeniería (similares al ABS, al polipropileno y a la silicona; flexibles, resistentes a la temperatura, rígidas), para aplicaciones de fundición, dentales y médicas (biocompatibles).Termoplásticos para ingeniería, normalmente el nailon y sus compuestos (el Nylon 12 Powder es biocompatible y esterilizable).Plásticos, metales blandos, metales duros (máquinas industriales), madera, acrílico, piedra, vidrio, materiales compuestos.
AplicacionesModelos de prueba de concepto básicos, creación de prototipos de bajo coste para piezas sencillas.Prototipos rápidos, prototipos estéticos de alta fidelidad y prototipos funcionales que requieren tolerancias ajustadas y superficies lisas.Geometrías complejas, prototipos funcionales y prototipos de ingeniería.Diseños sencillos, piezas estructurales y componentes metálicos.
Gama de preciosLas impresoras más asequibles y los equipos de impresión 3D tienen un precio inicial de unos cuantos cientos de dólares. Las impresoras de sobremesa de gama media y de mayor calidad pueden adquirirse desde 2000 $ y los sistemas industriales están disponibles desde 15 000 $.Las impresoras profesionales pueden adquirirse desde 3500 $ y las impresoras de trabajo de gran formato a partir de 11 000 $, mientras que las máquinas industriales a gran escala están disponibles desde 80 000 $.Los sistemas de trabajo industriales pueden adquirirse desde 18 500 $ y las impresoras industriales tradicionales están disponibles desde 100 000 $.Las máquinas CNC pequeñas pueden adquirirse desde unos 2000 $, pero las herramientas profesionales superan ampliamente esa cifra. Hay máquinas de grabado básicas disponibles por menos de 500 $, mientras que las cortadoras láser de gama media se venden a partir de 3500 $. Las cortadoras por chorro de agua pueden adquirirse desde unos 20 000 $.

Introducción a la creación rápida de prototipos

La creación rápida de prototipos se usa en muchos sectores tanto en empresas de la lista Fortune 500 como en pequeñas empresas. El objetivo es agilizar el desarrollo, reducir costes, mejorar la comunicación y más recientemente crear mejores productos.

Mientras que la impresión 3D tradicional era compleja y demasiado cara, las impresoras 3D de sobremesa y de trabajo han hecho que la tecnología sea accesible para cualquier empresa. 

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