El poder del proceso de creación rápida de prototipos y herramientas
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La velocidad y la precisión son lo más importante en el mundo de la fabricación actual. Este artículo habla de cómo una prototipo rápido y la herramienta que se utiliza para fabricarlo son interdependientes, profundizando en cómo el prototipado rápido y el utillaje han cambiado el desarrollo de productos. Analizaremos los detalles del utillaje para prototipos, la complejidad del proceso de utillaje y cómo las estrategias de utillaje rápido pueden ayudarle a ahorrar mucho tiempo y dinero.
Por qué hay que leer este artículo: Si eres ingeniero, diseñador o jefe de producto, es muy importante que entiendas cómo se convierte un diseño digital en una pieza física. Esta guía es una cobertura completa desde el prototipo rápido hasta la herramienta final para la producción. Aprenderá cómo el prototipado rápido y el utillaje acortan la distancia entre un concepto y un producto, lo que permite realizar pruebas exhaustivas sin la enorme inversión financiera que suelen suponer los métodos tradicionales. Si su objetivo es simplemente mejorar su proceso de utillaje o sólo está interesado en la última tecnología de utillaje rápido, este detallado post le sigue proporcionando las ideas prácticas sobre cómo acelerar su tiempo de comercialización y, al mismo tiempo, reducir el riesgo.
¿Qué es el prototipado rápido y cómo acelera el ciclo de desarrollo?
La creación rápida de prototipos hace referencia a diversas técnicas que aceleran la creación de un modelo físico a escala, que ilustra una pieza o un conjunto, fabricado a partir de datos tridimensionales de diseño asistido por ordenador (CAD). La esencia de este método de creación de prototipos gira en torno a la minimización del tiempo del ciclo de desarrollo. Al generar la representación física del diseño en la fase más temprana, los desarrolladores pueden percibir fácilmente e incluso probar la forma, el ajuste y la función del producto. Históricamente, un proceso de creación de prototipos podía durar semanas o incluso meses con el uso de métodos manuales tradicionales.
Hoy en día, las tecnologías de prototipado rápido han Reducción drástica del tiempo necesario para fabricar un prototipo.a menudo es posible en cuestión de horas o de pocos días. Este avance acelera el número de iteraciones que pueden probarse en un plazo determinado, por lo que el diseño final no solo es sólido, sino que está listo para entrar en el mercado.
Velocidad de generación de un prototipo rápido es el factor determinante del plazo total del proyecto. Al emplear el prototipado rápido, los ingenieros pueden detectar fallos de diseño sobre el terreno, en lugar de esperar hasta la fase de fabricación. Este enfoque iterativo, por el que el prototipo se construye, se prueba y se ajusta, disminuye drásticamente las posibilidades de cometer errores caros más adelante. Además, el prototipado rápido facilita la ingeniería concurrente, en la que varios elementos del producto se desarrollan y prueban en paralelo. Este método integral garantiza que el ciclo de desarrollo continúe sin interrupciones.
¿Por qué es importante la creación rápida de prototipos para el desarrollo de productos modernos?
La cuestión de por qué es importante la creación rápida de prototipos puede resolverse examinando los riesgos que se asumen en la fabricación. El desarrollo de productos es un proceso arriesgado; un diseño visualizado en un ordenador no siempre funciona en el mundo real. Así pues, un prototipo se convierte en un dispositivo de control de riesgos. Al fabricar un prototipo funcional, las empresas pueden medir las propiedades mecánicas, la ergonomía y los procedimientos de montaje. Esta fase de pruebas es indispensable para estar seguros antes de la producción a gran escala, donde los errores pueden costar cientos de miles de dólares. Así pues, la posibilidad de comprobar un diseño con un prototipo rápido es la manera de poder afirmar que la inversión en costosos utillajes de producción está justificada y es segura.
La creación rápida de prototipos también es importante para las pruebas de usuario. Por ejemplo, en los campos de la electrónica de consumo o los dispositivos médicos, la opinión del usuario es el factor más importante. Una técnica de prototipado rápido permite a los fabricantes entregar una pieza física a los usuarios potenciales en una fase muy temprana del proceso de diseño. Este tipo de información del mundo real es muy valiosa. Puede descubrir problemas de usabilidad que no eran obvios en el modelo CAD. Utilizando esta información para elaborar la siguiente versión del prototipo, las empresas pueden diseñar productos más adecuados para los usuarios. Poder responder a las necesidades del mercado es una de las principales ventajas competitivas del prototipado rápido.
¿Cómo funciona el mecanizado rápido en comparación con la fabricación tradicional?
Para comprender las diferencias de los cambios de herramientas en un contexto rápido en comparación con una tradicional, es necesario investigar first procesos de fabricación convencionales. Se suele denominar utillaje tradicional o utillaje duro al que resulta del mecanizado de moldes a partir de metales resistentes, como el acero. Se trata de un proceso muy preciso y duradero, capaz de producir millones de piezas; sin embargo, también es lento y muy caro. De hecho, la producción de un solo molde puede llevar desde varias semanas hasta algunos meses.
Por el contrario, la fabricación rápida de herramientas (también podemos llamarla fabricación de herramientas blandas) es un tipo de producción que se sitúa entre la creación de prototipos y la producción industrial. Está orientada principalmente a conseguir resultados rápidos y productos de bajo coste, y muy a menudo, la larga vida útil de las herramientas de producción se ve comprometida a cambio de que las piezas sean accesibles rápidamente. Comparado con los métodos tradicionales, el utillaje rápido permite crear moldes en una fracción del tiempo.
Las tecnologías de utillaje rápido suelen basarse en el uso de moldes de aluminio o aceros con un bajo contenido en carbono que son más fáciles y rápidos de mecanizar que el acero para herramientas. En algunos casos, la fabricación aditiva se utiliza para imprimir directamente los insertos de los moldes. Como resultado de esta estrategia, todo el plazo de entrega se acorta drásticamente. Mientras que la fabricación de una herramienta de acero puede exigir 12 semanas, la herramienta rápida a veces está lista en 1 o 2 semanas. Esta rapidez es esencial para el proceso de validación del moldeo por inyección, así como para la comprobación de las propiedades del material antes del corte final de la herramienta de acero.
¿Cuáles son las principales aplicaciones del mecanizado rápido en la industria?
Las aplicaciones del utillaje rápido son numerosas y diversas en toda la industria manufacturera. En sector del automóvil es una de las áreas en las que más se emplea el utillaje rápido. En este caso, se utiliza una herramienta rápida para fabricar piezas funcionales para vehículos de prueba. Estas piezas deben fabricarse con el material adecuado para resistir el calor del motor o las vibraciones de la carretera. Un simple prototipo rápido impreso en 3D puede no ser adecuado para pruebas tan duras. Por ello, los ingenieros fabrican un molde mediante métodos rápidos para obtener piezas que sean mecánicamente iguales al producto final. Por consiguiente, esto permite realizar pruebas de rendimiento con total validez mucho antes de finalizar la línea de producción.
Además, el industria de dispositivos médicos es otro ámbito importante en el que el utillaje para prototipos rápidos desempeña un papel vital en las pruebas piloto y los ensayos clínicos. Los dispositivos médicos suelen requerir determinados materiales biocompatibles, que sólo pueden procesarse mediante moldeo por inyección. El uso de utillaje rápido permite a los fabricantes fabricar un número limitado de dispositivos para su evaluación clínica. Esta capacidad es extremadamente importante, ya que ofrece al equipo de desarrollo del producto la oportunidad de recopilar datos sobre el rendimiento del dispositivo en entornos clínicos reales. La herramienta utilizada en estas pruebas piloto es un medio de validación del diseño y del proceso de fabricación al mismo tiempo.
Electrónica de consumo también se han beneficiado enormemente del utillaje rápido. En este mercado en rápida evolución, el secreto del éxito reside en la capacidad de introducir productos en el mercado antes que los competidores. El uso del utillaje rápido por parte de las empresas sirve para la producción de muestras de marketing y unidades beta destinadas a revisores y primeros usuarios. Estas unidades deben ser idénticas en apariencia y tacto al producto final.
¿Cuál es la diferencia entre el mecanizado rápido directo e indirecto?
Conocer la diferencia entre métodos directos e indirectos es crucial cuando hablamos de utillaje rápido. El mecanizado rápido directo significa que el molde de inyección o los insertos de la herramienta se crean directamente a partir de datos CAD mediante fabricación aditiva o mecanizado.
Por ejemplo, una impresora 3d puede imprimir el núcleo y la cavidad del molde mediante una resina que soporta altas temperaturas o mediante polvo metálico sinterizado. Es extremadamente rápido, ya que no necesita etapas intermedias. Así, es el archivo digital el que se utiliza directamente para crear la herramienta física. Esto es especialmente ventajoso para volúmenes muy bajos o geometrías complejas cuyo mecanizado puede llevar mucho tiempo o no ser posible. Por otro lado, el utillaje rápido indirecto utiliza un patrón maestro para hacer el molde.
Un ejemplo podría ser utilizar un Prototipo rápido SLA (estereolitografía) como patrón maestro para fabricar un molde de silicona para colada al vacío. Aunque no se trata de moldeo por inyección en el sentido exacto, es un tipo de utillaje que produce piezas de plástico. Otro método indirecto consiste en utilizar un patrón para crear el molde de fundición en arena para piezas metálicas. En la mayoría de los casos en los que los moldes directos impresos en 3D pueden ser difíciles de conseguir debido a los requisitos de acabado de la superficie o a la necesidad de un material del que no se puede imprimir el utillaje, se opta por el utillaje indirecto.
Estos dos métodos, directo e indirecto, son procedimientos diferentes en el mundo del prototipado y ambos son viables. Por lo general, el utillaje directo es más rápido y se está volviendo más potente a medida que la tecnología de fabricación aditiva sigue evolucionando. Por otro lado, el utillaje rápido indirecto sigue siendo una solución que muchos pueden permitirse y es una opción popular para aplicaciones como la fundición de uretano. La determinación de las diferentes estrategias de utillaje rápido depende del volumen.
¿Cómo se fabrican herramientas rápidas con tecnologías aditivas?
Los ingenieros recurren a métodos de fabricación innovadores como Impresión 3D para realizar geometrías que difícilmente pueden lograrse con el mecanizado CNC tradicional. Para producir herramientas rápidas mediante fabricación aditiva, el primer paso es tener una representación digital de la carcasa, el núcleo y la cavidad del molde. Muy a menudo, este modelo contiene canales de refrigeración conformados canales de refrigeración que siguen la forma de la pieza que no puede taladrarse de forma convencional. A continuación, se utiliza una máquina capaz de realizar sinterización directa de metal por láser (DMLS) o impresión de polímeros de alta resistencia para fabricar la herramienta capa por capa.
Este utillaje impreso en 3d puede reducir drásticamente el tiempo de enfriamiento durante el ciclo de moldeo, mejorando así la calidad de la pieza. El uso de una impresora 3d para fabricar un molde es un método especialmente adecuado para el utillaje de prototipos. Los materiales utilizados para los moldes impresos en 3d, como el ABS digital o el acero martensítico envejecido, son lo suficientemente resistentes como para soportar las presiones del moldeo por inyección durante un número limitado de ciclos. Así, los ingenieros pueden inyectar la resina de producción real en la herramienta impresa.
Esta función cambia por completo las reglas del juego, ya que proporciona a las piezas las propiedades químicas y mecánicas exactas del producto final. No sólo confirma la forma, sino también el rendimiento del material, sin necesidad de costosas herramientas metálicas mecanizadas. Por otro lado, emplear tecnologías de prototipado rápido para el utillaje requiere ciertas consideraciones de diseño. El acabado de la superficie de una herramienta impresa puede necesitar un tratamiento posterior para eliminar las líneas de las capas y que la pieza moldeada quede lisa. Además, la conductividad térmica de los moldes impresos con polímeros es inferior a la del aluminio o el acero, lo que conlleva tiempos de ciclo más largos.
¿Cuándo se debe utilizar utillaje para prototipos frente a utillaje para producción?
La elección entre utillaje para prototipos y utillaje para producción es principalmente determinado por el volumen, el presupuesto y la fase de desarrollo. El utillaje para prototipos es la mejor opción en las fases iniciales de desarrollo y validación. Si necesita entre 50 y 500 piezas para probar el ensamblaje, realizar pruebas de caída o enviar a laboratorios de certificación, la respuesta es un molde prototipo. Esta herramienta suele fabricarse en aluminio o acero blando (como el P20). Es un producto económicamente viable y rápido, sin embargo, no podrá durar mucho tiempo. La rapidez y la flexibilidad son los aspectos principales en este caso; si cambia el diseño, modificar o desechar una herramienta de aluminio es menos costoso que desechar una de acero templado.
Por el contrario, el utillaje de producción se fabrica a largo plazo. Cuando el diseño es definitivo y se verifica la demanda del mercado, es necesario instalar un molde de acero templado con múltiples cavidades. Este utillaje está diseñado para funcionar millones de ciclos con poco desgaste. Los utillajes de producción pueden tener insertos manuales o núcleos cargados a mano, pero en producción están totalmente automatizados.
El paso del prototipo al utillaje de producción es un momento importante. Marca el momento en el que el producto está lo suficientemente maduro para su producción a gran escala y se han eliminado en gran medida los riesgos de diseño. Además del prototipo rápido, existe un término medio que suele denominarse utillaje puente. Se trata de una robusta herramienta rápida que sirve de puente entre la fase de prototipo y la fabricación a gran escala. Permite series de producción demasiado grandes para el utillaje blando, pero demasiado pequeñas para una clase A.
¿Cómo reducen los costes y los plazos de entrega las herramientas de prototipado rápido?
La principal ventaja del utillaje rápido es su capacidad para reducir drásticamente tanto los costes como los plazos. El costoso utillaje es uno de los principales obstáculos en el camino de la fabricación. Por ejemplo, un molde de acero complicado puede ser muy caro y costar más de $50.000.
El utillaje para prototipos es mucho más rápido si se utilizan simplemente insertos de aluminio o impresos en 3D, una herramienta de creación de prototipos puede fabricarse para una pequeña fracción del coste del de acero. Este abaratamiento permite no sólo a las empresas de nueva creación, sino también a las ya establecidas, poner a prueba ideas que, de lo contrario, se habrían considerado demasiado arriesgadas. Gracias a la creación de prototipos, las empresas que antes necesitaban ayuda financiera para el utillaje inicial pueden permitirse destinar más recursos a la innovación en el diseño y la comercialización.
Cuando se trata de plazos de entrega, la diferencia es enorme. Los métodos tradicionales de utillaje suelen implicar el uso de complejas cadenas de suministro, tratamiento térmico y trabajos de electroerosión de precisión, por lo que el proceso dura entre 8 y 12 semanas. En cambio, con el utillaje rápido, se puede cortar un molde y ponerlo en funcionamiento en sólo 10 días. Esta velocidad hace que las estrategias de fabricación rápida sean viables, por lo que los productos pueden repetirse y mejorarse en tiempo real. En caso de que se detecte un fallo de diseño mediante una herramienta rápida, no habrá problemas para modificar o rehacer el molde rápidamente. Por tanto, la movilidad evita la falacia del "coste hundido", ya que las empresas no se verán obligadas a conservar un mal diseño simplemente porque la herramienta haya tardado meses en construirse.
Además de eso, el uso de la creación rápida de prototipos para el utillaje también ayuda a evitar los costes de reajuste de las herramientas de producción. Es increíblemente más caro modificar una herramienta de producción fabricada con acero endurecido que realizar un ligero ajuste en una herramienta prototipo de aluminio. Al detectar problemas como marcas de hundimiento, alabeos o problemas de llenado en la herramienta rápida, los ingenieros tienen la oportunidad de corregir el diseño del molde.
¿Qué papel desempeña el moldeo por inyección en el método de creación de prototipos?
Moldeo por inyección generalmente se considera un proceso de producción en serie, del método de creación de prototipos. Moldeo por inyección rápida (RIM) utiliza los mismos principios del moldeo estándar, pero los aplica al utillaje rápido.
El objetivo es tener piezas moldeadas por inyección que sean visualmente indistinguibles del producto final en el menor tiempo posible. Esto es diferente de un prototipo impreso en 3D que podría tener diferentes propiedades de material (anisotropía) y acabados superficiales. Si el objetivo es la validación funcional, especialmente en el caso de las bisagras vivas, de ajuste y de encaje, la pieza debe moldearse a partir de la resina termoplástica real.
La máquina para RIM es prácticamente la misma que la de producción, pero la configuración de la herramienta varía. Se suelen emplear sistemas de matriz de unidad maestra (MUD), en los que se utilizan bases de molde estándar y sólo se mecanizan los insertos del núcleo y la cavidad como herramienta rápida. De este modo, se necesita menos metal y el proceso de mecanizado es más rápido. Los insertos para la aplicación pueden ser de aluminio mecanizados por CNC o impresos en 3D. La elección de los fabricantes puede probar múltiples grados de plástico para determinar cuál rinde mejor, algo que es casi imposible con otros métodos de creación de prototipos.
Moldeo por inyección de bajo volumen a través del utillaje rápido también plantea la posibilidad de fabricar lotes de piezas pequeñas para probarlas en el mercado. Una empresa puede fabricar 1.000 unidades para venderlas en una región concreta o a un grupo demográfico determinado. Esta validación del mercado es mucho más precisa que los grupos de discusión que analizan un renderizado.
¿Cuál es el futuro de la fabricación digital de herramientas y prototipos rápidos?
El futuro de la fabricación rápida depende en gran medida de la profunda integración de los flujos de trabajo de la fabricación digital. Con la continua evolución de las capacidades del software y las máquinas, la distinción entre un prototipo rápido y un producto final es cada vez menos clara. A la larga, el proceso de mecanizado rápido directo será tan eficaz que podrá sustituir a los métodos tradicionales de producción de volumen medio.
Descubra cómo la creación rápida de prototipos se está transformando en "fabricación digital directa", en la que las piezas se fabrican bajo demanda y no se necesitan herramientas para determinadas aplicaciones. Por otro lado, el molde seguirá siendo la herramienta principal para la producción de piezas de plástico de gran volumen, y el utillaje rápido solo se desarrollará para que ese molde sea más rápido y barato.
Innovaciones en fabricación aditiva están abriendo la puerta a soluciones de fabricación que antes eran inimaginables. Una de las principales tendencias que estamos presenciando es la aparición de máquinas híbridas que integran la impresión 3D y las capacidades de mecanizado CNC. Estas máquinas son capaces de imprimir una herramienta de forma cercana a la red y, a continuación, mecanizarla con la tolerancia requerida en una sola configuración. La adopción de este método híbrido hace que el mecanizado rápido no sólo sea más rápido, sino también más preciso.
Además, la industria también está trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para las tecnologías de impresión 3D que tendrán una mayor conductividad térmica y durabilidad. Esto no solo prolongará la vida útil de las herramientas impresas en 3D, sino que también las convertirá en una opción viable para grandes series de producción.
Al final, la creación rápida de prototipos y herramientas pasará a un nivel superior y será aún más indispensable en el proceso de desarrollo de productos. Las empresas que sean capaces de producir rápidamente un prototipo, crear una herramienta rápida y fabricar piezas moldeadas por inyección en un flujo de trabajo digital sin fisuras serán las que triunfen en el futuro panorama de la fabricación. Al proporcionar a las empresas los medios para iterar a un ritmo más rápido, reducir costes y disminuir riesgos, estas tecnologías son el "sueño de los ingenieros" y la clave para abrir nuevas posibilidades de innovación.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre prototipado rápido y utillaje rápido?
Creación rápida de prototipos es el Proceso de creación física de una pieza, normalmente mediante métodos de fabricación aditiva como la impresión 3D, principalmente para pruebas de forma y ajuste.
En el otro lado, rápido utillaje es la fabricación del molde o la herramienta necesaria a producir las piezas mediante técnicas como moldeo por inyección. El mecanizado rápido permite el fabricación de piezas con propiedades materiales y resistencia mecánica más cerca a los de el producto final.
¿Cuántas piezas pueden fabricarse con una herramienta rápida?
El número de piezas que se pueden fabricar con un rápido depende de el materiales de el molde y el que se inyecta. Un molde fabricado mediante impresión 3D puede que sólo sirva para 10 a 100 disparos, por tanto, es adecuada para volúmenes extremadamente bajos.
Moldes de aluminio o herramientas de acero blando que se utilizan en rápido Sin embargo, el utillaje puede soportar, por lo general, desde 100 a 10.000 ciclos. Esto las hace perfectas para la producción puente o las series piloto que vienen antes de el inversión en herramientas de producción de materiales duraderos.
¿Cuánto tiempo ahorra el mecanizado rápido en comparación con los métodos tradicionales?
El utillaje tradicional se refiere a el corte de acero duro, que puede llevar mucho tiempo y tardar de 8 a 12 semanas o más. Este es principalmente por el dificultad de mecanizado y el procesos de tratamiento térmico necesarios.
El plazo de entrega es acelerado considerablemente por rápido herramientas. De hecho, un rápido fabricadas con aluminio más blando o mediante fabricación digital directa pueden estar listas para el moldeo por inyección en sólo 1 ó 2 semanas, lo que permite una comercialización mucho más rápida.
¿Puede el utillaje rápido utilizar la producción real, materiales de grado?
De hecho el principal ventaja del utillaje rápido sobre los prototipos estándar impresos en 3D. Desde el proceso es el moldeo por inyección, puede inyectar el resinas termoplásticas exactas (e. g. ABS, Policarbonato o Nylon) que se el fuente de la producto final.
Por lo tanto, las pruebas de resistencia química, propiedades térmicas y resistencia mecánica pueden realizarse con precisión.
¿Es el utillaje rápido significativamente más barato que el utillaje duro?
Prototipo rápido utillaje suele ser mucho más barato que el alternativa. El uso de aluminio o acero no templado permite velocidades de mecanizado más rápidas, por lo que se requiere menos tiempo de mecanizado y costes de mano de obra. Además, rápido herramientas comúnmente utilice bases de moldes compartidas (Master Unit Dies), lo que significa que usted sólo paga por el insertos para núcleos y cavidades y no para el toda la estructura del molde, así el La inversión necesaria para pequeños lotes se reduce considerablemente.
¿Se puede utilizar la impresión 3D para crear moldes de inyección?
Sí, el proceso se denomina directo rápido herramientas. Las impresoras 3d de alta resolución son capaces de imprimir insertos de moldes con resinas resistentes a altas temperaturas o metales producidos por sinterización.
Aunque estas herramientas impresas en 3D tienen menor conductividad térmica y menor resistencia al desgaste que las herramientas metálicas mecanizadas, proporcionan el forma más rápida posible de obtener la inyección pieza moldeada, normalmente la herramienta está lista en pocos días.
Conclusión
- El prototipado rápido es el proceso en el que se acelera el ciclo de desarrollo al permitir iteraciones rápidas y una validación del diseño antes de la fabricación.
- El mecanizado rápido es el paso que va de una Prototipo impreso en 3D a la producción a gran escala, en la que se utilizan metales más blandos o métodos aditivos para crear moldes rápidamente.
- Coste y rapidez: Estas son las dos principales ventajas del utillaje para prototipos rápidos. El coste es significativamente inferior y el plazo de entrega se reduce enormemente en comparación con los métodos de utillaje tradicionales.
- Mitigación de riesgos: El uso de una herramienta rápida permite a ingenieros y diseñadores verificar el proceso de moldeo por inyección y las propiedades del material, evitando así costosos errores en el utillaje duro.
- Aplicaciones: El uso de utillaje rápido no tiene límites. Hace posible el desarrollo de prototipos funcionales y de un pequeño lote de productos para la validación del sector de dispositivos médicos o pruebas de automoción, entre otras industrias.
- Métodos: Existen diferentes enfoques, como el utillaje rápido directo (impresión del molde) y el utillaje rápido indirecto (uso de patrones), que dependen de las necesidades del proyecto.
- Futuro: El uso de la fabricación digital y las técnicas de fabricación híbrida acabarán por hacer que la diferencia entre la creación de prototipos y la producción deje de ser visible.
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