Para encontrar el método óptimo de creación de prototipos, haga las preguntas correctas

Michael Paloian | 07 de febrero de 2021

Una fase crítica durante el diseño y desarrollo del producto es la verificación de su diseño. La verificación del diseño se puede lograr mediante simulación o creación de prototipos. La creación de prototipos suele ser el método preferido para la verificación del diseño de piezas de plástico más pequeñas debido a su rentabilidad, precisión y conveniencia.

No hace mucho tiempo, sólo había dos opciones de creación de prototipos disponibles para los diseñadores e ingenieros: prototipos mecanizados/fabricados a mano o prototipos de piezas moldeadas por inyección. Hoy en día, hay muchas más opciones disponibles, la más popular de las cuales es la creación rápida de prototipos en 3D. Sin embargo, cada método de creación de prototipos tiene sus ventajas y limitaciones. Este artículo revisará las diversas opciones de creación de prototipos de plástico en función de sus ventajas y desventajas para ayudarle a decidir qué método se adapta mejor a sus necesidades.

A continuación se muestra una lista de los métodos de creación de prototipos de plástico disponibles actualmente:

La selección de la mejor opción debe basarse en sus requisitos. Una lista sugerida de consideraciones importantes incluye:

Hasta no hace mucho tiempo existían muy pocas opciones para crear prototipos de plástico. Hace aproximadamente 25 años, todos los prototipos de plástico se mecanizaban, se fabricaban a mano, se fundían o, en una medida muy limitada, se moldeaban por inyección utilizando herramientas temporales. No había otras opciones.

Fabricar un prototipo de plástico era extremadamente caro, requería mucho tiempo y era muy impreciso. Sólo un grupo muy limitado de talleres ofrecía moldeo por inyección de prototipos, lo que era muy caro y con largos plazos de entrega. Esta opción rara vez se utilizó. Por lo tanto, la mayoría de los prototipos de plástico se fabricaron a mano o, en algunos casos, se mecanizaron mediante CNC.

También debemos recordar que los diseños se detallaban predominantemente en 2D tradicional, ya que el CAD 3D aún estaba en su infancia. En aquellos días, CAD 3D era principalmente estructura de alambre o modelado sólido muy primitivo. Se fabricaron a mano prototipos de ingeniería “similares a los de producción” basándose en una interpretación manual de dibujos en 2D. Esto a menudo resultaba en desviaciones significativas de las impresiones debido a las interpretaciones o errores del fabricante del modelo y a las limitaciones de las herramientas. Los diseñadores esperaron pacientemente durante semanas y muchas veces meses por el prototipo, lo que siempre fue un cuello de botella en el proceso de diseño. Fue una experiencia emocionante, ya que nunca se sabía cómo quedaría el diseño. Además, siempre se cuestionaba la precisión del modelo, sin saber nunca si el fabricante del modelo manipulaba el diseño para camuflar los errores hasta que se moldeaban las piezas.

Hoy en día, el modelado CAD 3D, la simulación por computadora y muchas opciones de creación de prototipos han acelerado exponencialmente el proceso de diseño. Proyectos que alguna vez requerían un año para desarrollarse ahora pueden completarse en uno o dos meses, ¡y a veces en semanas! Los modelos CAD 3D ahora se pueden replicar con precisión con todos los detalles sutiles, incluidos borradores, radios, logotipos en relieve y docenas de otras características críticas sin ninguna interpretación o error humano. Por supuesto, este cambio de paradigma es el resultado del CAD 3D, la impresión 3D y el mecanizado CNC. Sin embargo, si alguna de estas opciones de creación de prototipos se aplica mal, los resultados pueden llevar a conclusiones erróneas. Los diseñadores deben seleccionar el método de creación de prototipos que mejor se adapte a sus necesidades. Revisaré estas opciones de creación de prototipos en función de las 12 consideraciones expuestas anteriormente.

Antes de decidirse por un método de creación de prototipos, primero debe preguntarse: ¿Cuál es el propósito del prototipo? Los prototipos se utilizan por muchas razones diferentes. Por ejemplo, es posible que necesite un modelo no funcional y de aspecto realista para presentarlo en marketing o ventas. Este modelo debe tener el acabado de superficie, los colores, los gráficos y los materiales correctos para representar con precisión el diseño de producción final para que los espectadores puedan evaluar la apariencia. En otras situaciones, su prototipo será sometido a productos químicos agresivos o pruebas de impacto. Es posible que necesite un prototipo para evaluar factores humanos, como la fuerza para soltar una tapa de plástico o una tapa de botella. Es posible que desee evaluar la facilidad de montaje y la capacidad de servicio. Por último, es posible que simplemente desee evaluar rápidamente un concepto a un costo mínimo. Todas estas situaciones te llevarán a una opción diferente de creación de prototipos.

Un modelo de apariencia no requiere necesariamente características internas o partes individuales. Si la pieza es pequeña, menos de 10 pulgadas. cubo: puede ser ideal para la impresión FDM en ABS. Sin embargo, si la pieza es grande como un refrigerador, puede ser ideal para la fabricación manual utilizando madera o forma REN. Si el producto del tamaño de un refrigerador tiene puertas con bisagras y un interior acabado, puede ser más adecuado para una combinación de métodos que incluyen FDM, conformado al vacío y madera. Es importante que usted, como diseñador, comprenda cómo se fabricará el prototipo, ya que es posible que deba proporcionarle al modelista los archivos CAD para cada parte del modelo general. Estas piezas serán muy diferentes de las piezas de producción reales.

Los modelos deben distinguirse de los prototipos por su único propósito de comunicar la apariencia y la estética de un concepto de diseño frente a la función del producto. Aunque los modelos pueden carecer de detalles internos, la complejidad y la habilidad necesarias para desarrollar un modelo estético de alta calidad son todo un desafío. Los niveles de planificación y habilidad tanto del diseñador como del maquetista son igualmente exigentes. Los diseñadores deben diseñar piezas específicamente para un modelo no funcional frente a un conjunto de piezas de producción. Por ejemplo, un modelo no funcional de un producto como el que se muestra a continuación requeriría las siguientes piezas:

Las piezas impresas en 3D serían las más adecuadas para un FDM o SLA de construcción fina. El borde elastomérico podría imprimirse en un elastómero utilizando tecnología SLA, ya que FDM produciría una superficie demasiado rugosa. Por el contrario, el dispositivo médico podría fabricarse utilizando una combinación de forma REN mecanizada por CNC, FDM y lámina fabricada a mano.

El tiempo de entrega y de respuesta para fabricar uno o más prototipos suele ser una consideración crítica durante el proceso de desarrollo. A veces, el método más rápido para crear un prototipo de algo es simplemente tomar una herramienta, cortar un trozo de plástico en una forma que represente la pieza y probarla. Aunque este no es exactamente el método más preciso para hacer un prototipo, es el más barato, rápido y conveniente. Las piezas de tamaño mediano a grande suelen ser mucho más rápidas de fabricar que de imprimir, especialmente si están diseñadas como superficies planas grandes. El segundo método más rápido es la impresión 3D FDM interna o el mecanizado CNC, según su equipo. Hoy en día, la mayoría de las empresas y firmas de diseño tienen impresoras 3D internas, que pueden imprimir piezas de calidad media a alta bajo demanda. Las instalaciones de creación de prototipos independientes normalmente convertirán archivos CAD 3D en piezas según los siguientes tiempos de respuesta generales:

Cabe señalar que los tiempos de respuesta que figuran en la tabla son rangos de tiempo generales realistas. Es posible que algunos proveedores puedan responder mucho más rápido o más lento según la carga de trabajo, la complejidad del proyecto y la cantidad de piezas.

Aunque el moldeo por inyección es el proceso de moldeo de plástico más popular, existen muchos otros procesos disponibles para fabricar productos plásticos. La mayoría de los prototipos rápidos en 3D están optimizados para piezas moldeadas por inyección, ya que la inversión en herramientas y la complejidad de las piezas son las más extremas para este proceso. Otros procesos como el moldeo por soplado, el conformado al vacío, el moldeo rotacional y la extrusión también se especifican para el procesamiento de piezas de plástico. Cada proceso tiene su propio conjunto de criterios de diseño, elección de materiales y tipo de geometría de pieza únicos.

Las botellas moldeadas por soplado, por ejemplo, normalmente se fabrican en polietileno (PE), tereftalato de polietileno (PET) o polipropileno (PP). Hoy en día no está disponible la creación de prototipos de una botella de PE moldeada por soplado en una pared de 1 mm utilizando cualquiera de los métodos de creación rápida de prototipos. Sin embargo, se puede crear un prototipo de una botella de PE moldeada por soplado creando un molde de soplado SLS o FDM y moldeando algunas muestras. Hay varios proveedores que ofrecen este tipo de servicio. Lo mismo ocurre con otros procesos de moldeado de plástico, en los que el molde se imprime en 3D o se mecaniza con CNC, y una pequeña cantidad de piezas se moldea en el material real. La creación de prototipos de piezas de plástico basadas en el material y el proceso de moldeo reales le proporciona la representación más precisa de la pieza de producción final. Las piezas prototipo moldeadas por inyección en el material real serán casi idénticas a las piezas de producción. Se pueden probar y evaluar en función del rendimiento de la resina especificada, las tensiones moldeadas y las tolerancias de las piezas. Las piezas moldeadas de espuma estructural de gran tamaño son las más adecuadas para la fabricación CNC o FDM, con una densidad de pieza del 70 % al 80 %. Dado que las piezas moldeadas de espuma estructural suelen ser grandes, es posible que deba dividirlas en piezas más pequeñas que se imprimen y ensamblan en una pieza más grande.

A menudo se requiere que las piezas de plástico cumplan con tolerancias muy estrictas. Las tolerancias son especialmente críticas para características como ajustes a presión, ajustes a presión, piezas deslizantes o conjuntos ópticos. El control de las tolerancias y el acabado superficial en los prototipos depende en gran medida del material, el equipo, el proceso de creación de prototipos, el tamaño de la pieza y la velocidad de construcción. FDM normalmente produce piezas con tolerancias que van desde +/- 0,008 a +/- 0,02 pulgadas. Las tolerancias SLA son mucho más estrictas que las piezas FDM, produciendo piezas con tolerancias en el rango de +/- 0,004 a +/- 0,007 pulgadas. Las piezas SLS son como los de SLA. Las piezas CNC se pueden mecanizar dentro de +/- 0,0005 pulgadas para agujeros escariados y +/- 0,002 pulgadas no acumulativas. Esta es la opción de creación de prototipos más precisa.

Las tolerancias del poliuretano fundido o del epoxi son muy imprecisas debido a la cantidad de variables asociadas con el proceso. Las acumulaciones de tolerancias se acumulan comenzando con el patrón, el molde de silicona, la contracción de la resina y, finalmente, las operaciones de manipulación secundaria. Las tolerancias para los poliuretanos fundidos pueden variar desde +/- 0,01 hasta +/- 0,06 pulgadas, dependiendo de todas las variables citadas anteriormente.

Uno de los grandes desafíos de cualquier método de creación de prototipos es la reproducción precisa de los detalles finos del diseño. Preservar las características de la pieza depende en gran medida de los mismos parámetros mencionados anteriormente, que se enumeran a continuación:

A continuación se proporciona una breve revisión de la resolución y la replicación precisa de las características de diseño para cada una de las opciones de creación de prototipos.

La interpretación de los detalles de los prototipos hechos a mano depende obviamente del artesano. Un artesano altamente cualificado puede superar la resolución de la mayoría de las máquinas de creación rápida de prototipos; sin embargo, la mayoría de los prototipos hechos a mano son toscos y muy básicos. Las razones obviamente se basan en la eficiencia, el costo y el nivel de habilidad. Por lo tanto, esta opción se encuentra al final de la lista para una replicación precisa de las características de diseño.

El mecanizado CNC se encuentra al final de la lista para reproducir detalles finos de diseño de una pieza moldeada por inyección. Hay dos razones principales para esta clasificación. En primer lugar, la mayoría de las características de una pieza moldeada por inyección no se pueden mecanizar a partir de un solo bloque de plástico. Las máquinas CNC están restringidas por los diámetros de las fresas y la profundidad de alcance. Por ejemplo, sería imposible mecanizar un par de nervaduras de dos pulgadas de profundidad con una separación de 0,09 pulgadas a partir de un solo bloque de plástico porque no hay cortadores de 0,09 pulgadas de diámetro que sean lo suficientemente largos. Por lo tanto, los prototipos CNC se separan en muchas piezas más pequeñas y se unen para formar la pieza final prevista, o las piezas de inyección deben rediseñarse para el proceso de mecanizado CNC.

El poliuretano fundido se especifica con frecuencia como un medio rentable para replicar de cinco a 100 piezas. La reproducción de las características de la pieza es tan buena como el patrón original utilizado para crear el molde de caucho de silicona. Se debe alertar sobre el hecho de que la calidad de las piezas fundidas de poliuretano depende en gran medida del proveedor, el personal y los procedimientos de control de calidad que emplean. La reproducción de detalles finos depende en gran medida de la técnica de fundición, la calidad del molde y todas las operaciones secundarias inherentes al proceso. Aunque las piezas fundidas pueden reproducir detalles tan finos como una huella digital, el alto contenido de mano de obra inherente a este proceso generalmente resulta en una calidad muy inconsistente.

Las herramientas temporales para moldes de inyección le proporcionarán prototipos que son prácticamente idénticos a las piezas de producción finales. Cabe señalar que la replicación de los detalles del diseño depende de la calidad de las herramientas y las condiciones de procesamiento. Esta opción es también la más cara y la que requiere más tiempo de respuesta.

Las piezas formadas al vacío y compuestas son claramente diferentes de las piezas moldeadas por inyección según el proceso, la geometría de la pieza, las herramientas y los materiales. Los prototipos para cualquiera de estos dos procesos suelen ser piezas grandes (más de 2 x 2 pies) que son básicamente una superficie con elementos de montaje adheridos a la parte posterior después del moldeo. Las piezas moldeadas en estos procesos normalmente no tienen detalles finos.

La segunda parte de esta serie de dos artículos, que ya se ha publicado, cubre las seis consideraciones restantes.

Si tiene alguna pregunta, no dude en comunicarse conmigo al 516-482-2181 o por correo electrónico, [email protected].

Sobre el Autor

Michael Paloian es presidente de Integrated Design Systems Inc. (IDS), con sede en Oyster Bay, Nueva York. Tiene una licenciatura en ingeniería plástica de la UMass Lowell y una maestría en diseño industrial de la Escuela de Diseño de Rhode Island. Paloian tiene un conocimiento profundo del diseño de piezas en numerosos procesos y materiales, incluidos plásticos, metales y compuestos. Paloian posee más de 40 patentes y fue presidente de SPE RMD y PD3. Con frecuencia habla en conferencias SPE, SPI, ARM, MD&M e IDSA. También ha escrito cientos de artículos relacionados con el diseño para numerosas publicaciones. Se le puede contactar por teléfono al 516/482-2181 o por correo electrónico, [email protected].

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