Consideraciones críticas para seleccionar un método de creación de prototipos

Michael Paloian | 15 de febrero de 2021

En el artículo anterior sobre este tema, mencioné la importancia de la creación de prototipos durante el diseño y desarrollo del producto para verificar su diseño. Revisé las muchas opciones de creación de prototipos de plástico disponibles para nosotros, incluidas las tres tecnologías de creación rápida de prototipos más populares. La parte 1 analizó la primera mitad de las 12 consideraciones que deben evaluarse antes de seleccionar el mejor proceso. Esta segunda entrega revisará las otras seis consideraciones para las mismas tecnologías de creación de prototipos para ayudarlo 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:

Las seis consideraciones restantes para seleccionar el mejor método de creación de prototipos se proporcionan a continuación:

Revisaré cada una de estas consideraciones en este artículo.

Todos los procesos enumerados anteriormente se pueden especificar para la creación de prototipos de piezas para verificar la apariencia general, las comprobaciones de interferencias, la ergonomía y el concepto general. Sin embargo, la verificación del diseño de piezas basada en propiedades específicas del material es mucho más difícil de completar. El moldeo por inyección de prototipos es la única opción de creación de prototipos que producirá piezas que son casi idénticas a las piezas de producción. La razón por la que lo he descrito como casi idéntico es porque el diseño de la herramienta, la calidad, la construcción y los materiales, así como las condiciones de procesamiento, podrían introducir algunas diferencias entre un prototipo de pieza moldeada por inyección y una pieza de producción.

Las dos opciones de creación de prototipos que ocupan el segundo lugar son el mecanizado CNC y FDM. Las piezas mecanizadas por CNC cortadas a partir de una sola losa de un material plástico específico le proporcionarán piezas que representan fielmente las piezas de producción. Cabe señalar que la losa se extruye o se moldea por inyección en secciones transversales gruesas. Rara vez se logran coincidencias exactas con los materiales de producción. En cambio, es muy probable que existan coincidencias generales con un material específico. Los ejemplos incluyen materiales como poliestireno GP, polietileno, policarbonato, acetal, ABS, etc. Es importante darse cuenta de que el stock de losas mecanizadas se limita a las operaciones que se pueden realizar en una máquina CNC y a la disponibilidad de tamaños de material en stock. Además, las piezas mecanizadas deben recocerse para aliviar las tensiones mecanizadas. También se debe saber que la estructura molecular de la losa extruida o moldeada por inyección es diferente de la de una pieza moldeada por inyección. Esto es especialmente cierto para los materiales reforzados con vidrio.

A diferencia del mecanizado CNC, los prototipos FDM se pueden fabricar en prácticamente cualquier material termoplástico. Las mini extrusoras le permiten extruir la mayoría de los termoplásticos en filamentos para su impresora FDM. La pieza impresa es geométricamente idéntica a su archivo CAD 3D excepto por las tolerancias. El inconveniente del FDM es el comportamiento anisotrópico de la pieza impresa. Las propiedades del material en el plano XY pueden ser significativamente diferentes de las del eje Z. El grado de diferencia depende del material y, lo más importante, de la impresora. Algunos impresores afirman que la resistencia del material del eje Z es el 90% de la del plano XY. Sin embargo, la mayoría de los impresores no se acercan a este nivel de correlación. Una de las diferencias de propiedades más importantes está en la resistencia a la flexión del material. Una solución alternativa simple es imprimir características como cierres a presión como partes separadas, con la fibra de construcción en la dirección de flexión. Posteriormente, el broche se puede unir a la parte principal con disolventes o adhesivos.

Los prototipos hechos a mano, que comprenden varias piezas más pequeñas unidas en una sola pieza, se limitan a materiales disponibles comercialmente, como piezas mecanizadas por CNC. Los prototipos hechos a mano pueden parecerse más a una pieza moldeada por inyección debido al proceso; sin embargo, los prototipos completos son mucho más delicados que una pieza mecanizada por CNC, ya que la parte principal generalmente se fabrica uniendo varias piezas más pequeñas con solventes o adhesivos. Por lo tanto, los prototipos hechos a mano no pueden someterse a pruebas de caída o impacto con fiabilidad.

Los poliuretanos fundidos, SLS y SLA se limitan a una pequeña familia de resinas: los poliuretanos fundidos se limitan al poliuretano, el SLS se limita al nailon y el SLA se limita a resinas epoxi o acrílicas.

Si un producto se va a someter a productos químicos agresivos, pruebas de fluencia o pruebas de impacto, se recomienda probar la muestra del material real en las condiciones de uso previstas. Probar un prototipo puede resultar demasiado costoso o poco práctico.

A veces es necesario crear más de un prototipo. Se requieren múltiples prototipos cuando se realizan pruebas destructivas o se distribuyen varios prototipos a los usuarios para recibir comentarios o a múltiples sitios para evaluación y prueba. Seleccionar la opción ideal para la creación de prototipos no es tan sencillo como cree. Debes considerar el costo, la inversión, el tiempo de entrega, la calidad y lo que estás evaluando. La siguiente tabla compara las diversas opciones de creación de prototipos en función de estas consideraciones. Ha sido elaborado a modo de guía. Existen superposiciones entre las opciones y sus experiencias pueden variar hasta cierto punto dependiendo de los proveedores con los que esté trabajando.

Calificación: 1 = baja, lenta; 5 = alto, rápido

Los diseñadores e ingenieros de productos deben mantener un equilibrio entre creatividad, innovación y confianza en que los diseños propuestos funcionarán según lo previsto cuando se complete el proyecto. La creación de prototipos y las pruebas a lo largo del proceso de desarrollo permiten a los desarrolladores verificar de manera eficiente sus ideas mucho antes de que se complete el ciclo de diseño del producto. Esta metodología reduce el riesgo de invertir cientos o miles de horas de trabajo en un diseño que, en última instancia, puede requerir un rediseño completo. Los diseñadores siempre deben analizar las compensaciones entre el costo y el tiempo de la creación de prototipos versus la validez de los resultados derivados de las pruebas.

A continuación se enumeran algunos ejemplos de pruebas y evaluaciones del mundo real. Esperamos que estos ejemplos puedan ayudarle a comprender el proceso que mejor se adapta a una situación específica.

Los modelos estéticos pueden ser muy simples o bastante complicados. En todos los casos, la función del producto no es importante a menos que la función esté de alguna manera directamente relacionada con la apariencia. Por ejemplo, las puertas, botones y manijas, que son funcionales, afectan la apariencia. Esto requiere un nivel de detalle que comunique claramente la intención del diseño. Los espacios interiores pueden quedar al descubierto, exigiéndoles que cumplan con los estándares de apariencia general. Por lo tanto, todas las opciones de creación de prototipos son apropiadas, excepto el moldeo por inyección de prototipos. Un dispositivo electrónico grande y complejo con cientos de componentes internos se puede representar claramente mediante una carcasa sólida o hueca con detalles finos en todas las partes externas visibles para el espectador. El costo de estos prototipos se invierte en el arte y la artesanía del fabricante del modelo: mezclar pinturas, enmascarar, pintar, lijar, pulir y resolver minuciosamente los detalles finos es una tarea extensa y costosa.

Los prototipos son esenciales cuando se intenta optimizar las consideraciones de factores humanos. Parámetros como el peso, el equilibrio, el espacio libre para los dedos, la comodidad, los diseños de los mangos, etc., requieren una investigación y una evaluación exhaustivas mucho antes de finalizar el diseño. No es necesario que los prototipos ergonómicos sean 100% funcionales. Su nivel de funcionalidad está determinado por su efecto sobre consideraciones ergonómicas. Por ejemplo, si se evalúa el prototipo en función de su nivel aceptable de comodidad cuando se sostiene en la mano, los contornos del mango deben definirse con precisión. Si se está evaluando el prototipo en cuanto a retroalimentación táctil del gatillo, botón o pestillo, el perfil de fuerza para estas características debe representarse con precisión. Otras características, como la ubicación de las manijas, los espacios libres para las patas, la visibilidad de las pantallas, etc., deben estar representadas con precisión en el prototipo. En la mayoría de los casos, para estos estudios se puede utilizar un modelo no funcional simplificado. Los modelos podrán no requerir acabados ni pintura. Un simple modelo monocromático en bruto puede ser suficiente para la mayoría de los estudios de ergonomía; sin embargo, es posible que se requieran prototipos terminados si el color, la textura de la superficie o la dureza del material son críticos.

Dependiendo del tipo de estudio ergonómico, los prototipos hechos a mano son altamente efectivos, de bajo costo y rápidos. Se pueden fabricar en una variedad de materiales que van desde arcilla, yeso o madera hasta plástico y metal. Si se requieren modelos más precisos, todos los demás procesos son adecuados excepto el moldeo por inyección de prototipos. Los factores determinantes se reducen al costo, la disponibilidad y los requisitos finales.

El tamaño de la pieza es un factor importante a la hora de decidir cuál es la mejor opción de creación de prototipos. Las piezas pueden variar en tamaño, desde microscópicas hasta parecidas a las de un piano. Pequeñas cantidades de piezas microscópicas son ideales para la creación rápida de prototipos. Hay algunas empresas que ofrecen impresoras 3D especializadas, que están diseñadas específicamente para imprimir piezas tan pequeñas como unas pocas micras. Las opciones materiales para este proceso, por supuesto, son limitadas. Aunque la mayoría de las piezas de plástico moldeadas por inyección encajan dentro del estándar de 12 pulgadas. Dado el volumen del cubo, las piezas más grandes se pueden imprimir como una sola pieza en máquinas más grandes. Actualmente, las máquinas FDM superan los 1000 x 1000 x 1000 mm en volumen. Estas máquinas muy grandes están disponibles comercialmente, pero la mayoría de los fabricantes de impresiones 3D no las tienen e imprimen piezas grandes en secciones más pequeñas que luego se unen en una pieza más grande. Dado que todos los procesos pueden producir piezas grandes (más de 2 x 2 pies), se debe considerar la geometría, la complejidad y las tolerancias de las piezas al decidir sobre un proceso. El moldeo por inyección de prototipos ciertamente no es una opción rentable. Sin embargo, los poliuretanos fundidos, el conformado al vacío y los compuestos son ideales para piezas medianas y grandes. De hecho, los prototipos compuestos y formados al vacío pueden ser idénticos a las piezas de producción si los materiales y los parámetros de procesamiento son similares.

El costo es siempre una consideración importante al seleccionar una opción de creación de prototipos. Algunos procesos requieren una inversión inicial sustancial, mientras que otros no requieren ninguna inversión. Algunos procesos requieren mucha mano de obra e incurren en altos costos por unidad, mientras que otros son más eficientes y mucho más rentables. La siguiente tabla compara los procesos según la inversión y el costo unitario.

Calificación: 1 = baja; 5 = alto

El costo unitario para todos los procesos de creación de prototipos enumerados anteriormente, excepto el moldeo por inyección, puede variar significativamente según el acabado exterior. Los prototipos funcionales que requieren poco o ningún trabajo de acabado serán mucho menos costosos que aquellos que tienen un acabado de pintura Clase 1, gráficos y otros detalles que requieren muchas horas de trabajo manual. El coste de una pieza FDM puede duplicarse o triplicarse, dependiendo de la calidad del acabado requerido. Normalmente, las piezas FDM requieren más trabajo manual y tiempo de acabado que las piezas SLA, que tienen una resolución mucho mayor. Las piezas mecanizadas por CNC son más rentables para prototipos funcionales que deben funcionar cuando se someten a tensiones u otras condiciones ambientales.

Los prototipos suelen requerir piezas claras. Todos los procesos de creación de prototipos que se han analizado en este artículo pueden producir piezas transparentes, excepto SLS, que se limita principalmente a nailon y compuestos reforzados con fibras de vidrio o carbono. Sin embargo, si añadimos el requisito de claridad óptica, las opciones se reducen.

FDM puede producir piezas transparentes con PET y materiales acrílicos, pero las piezas no serán ópticamente claras. La luz pasará, pero la visibilidad se verá oscurecida debido a las capas. Las piezas de acrílico fabricadas a mano y mecanizadas por CNC se pueden pulir hasta obtener claridad óptica. Los poliuretanos se pueden fundir en colores o materiales transparentes, formando piezas ópticamente transparentes. Por lo general, las piezas fundidas requieren un pulido mínimo para lograr un acabado transparente. También hay que tener en cuenta que las piezas fundidas a veces pueden atrapar burbujas de aire si no se procesan correctamente. Las piezas formadas al vacío se pueden moldear en policarbonato transparente o lámina acrílica. Por supuesto, el moldeo por inyección puede producir piezas ópticamente transparentes en prácticamente cualquier termoplástico si los moldes están muy pulidos. El mejor método rápido de creación de prototipos para producir piezas transparentes es el SLA. Crear prototipos de lentes o piezas de calidad óptica es mucho más complicado que crear prototipos de una ventana transparente. Una ventana transparente no requiere el mismo nivel de perfección que se requiere de una ventana de calidad óptica que debe transmitir la luz prácticamente sin distorsión. Las lentes ópticas no sólo requieren una geometría libre de distorsiones, sino que el índice de refracción del material debe coincidir con el de las piezas de producción.

A menudo se requiere una combinación de colores personalizada para prototipos similares a los de producción. FDM, fundición, mecanizado CNC, conformado al vacío y moldeo por inyección pueden producir piezas con color moldeado. Sin embargo, no es práctico crear prototipos de ninguna pieza con un color personalizado moldeado. Solicitar resinas pigmentadas personalizadas para filamentos FDM, gránulos moldeados por inyección o láminas formadas al vacío es muy poco práctico, costoso y requiere mucho tiempo. Las piezas SLA y SLS suelen estar restringidas a colores de materiales naturales: blanco, beige translúcido o transparente para SLA y blanco para SLS. El poliuretano de color personalizado nunca será idéntico al de un termoplástico moldeado por inyección. Por lo tanto, prácticamente todos los prototipos se pintan con pigmentos exactamente iguales para cumplir con estrictos estándares de color. Cuando se aplican pinturas a prototipos, se debe tener cuidado al definir características ajustadas que deben ocultarse de la pintura. A veces, el espesor de la pintura aumenta hasta más de cinco milésimas de pulgada, lo que provoca interferencias.

Los prototipos son extremadamente útiles para probar y verificar su diseño mucho antes de que esté terminado o lanzado para las herramientas de producción. A continuación se enumeran algunas de las pruebas y evaluaciones más comunes que se realizan en prototipos:

Los tres primeros dependen exclusivamente de los materiales y del método de fabricación. Como se mencionó anteriormente, lo ideal es que las pruebas y evaluaciones basadas en materiales se realicen utilizando el mismo material. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones esto no es práctico ni rentable y es necesario encontrar métodos alternativos para realizar estas pruebas. Una alternativa viable sería aislar la propiedad que le interesa probar y reemplazar el material con un sustituto adecuado. Un ejemplo podría ser probar la sensación de un ajuste a presión. Si su pieza de producción se especificó en policarbonato, por ejemplo, y necesita un prototipo SLA para detalles finos, puede sustituir el policarbonato por una resina epoxi con el mismo módulo que el policarbonato.

Evaluar la facilidad de montaje, especialmente para productos electrónicos compactos con numerosos conectores, tornillos pequeños y ajustes a presión, es un paso fundamental en el proceso de diseño. El proceso ideal para este tipo de evaluación es el SLA, que puede replicar detalles muy finos de forma precisa y rentable. Se pueden evaluar estudios de ensamblaje más amplios utilizando FDM o incluso modelos fabricados a mano, según la etapa de desarrollo.

Evaluar la seguridad de los productos es esencial para la mayoría de los productos, que se vuelven más complejos y sofisticados con cada generación. Todos los procesos que se han analizado en este artículo se pueden especificar para probar la seguridad del producto. Si el uso seguro está directamente relacionado con las propiedades del material, las opciones son limitadas, como se analizó anteriormente. Sin embargo, si estás interesado en evaluar la ubicación ideal de un botón o escudo de emergencia, en ocasiones un modelo de espuma hecho a mano puede ser suficiente. El proceso ideal depende en gran medida del nivel de detalle requerido para representar la característica que se está evaluando.

Es esencial que los productos portátiles, incluidas herramientas eléctricas, artículos deportivos, dispositivos médicos, etc., estén bien equilibrados y sean cómodos durante su uso. La sensación de un producto puede tener un gran impacto en su aceptación o rechazo en el mercado. Por lo tanto, es imperativo que usted, como diseñador o ingeniero, valide estos parámetros en las primeras etapas del proceso de diseño. Estos parámetros son función de la distribución de masa dentro de un conjunto, así como de los materiales especificados para la estructura externa. Los elastómeros sobremoldeados antideslizantes a menudo proporcionan un nivel de comodidad táctil adicional que una persona debe sentir para una evaluación adecuada. Un modelo simple hecho a mano de madera o cartón puede ser adecuado para evaluar el equilibrio durante las primeras etapas de un diseño. Sin embargo, un modelo FDM impreso más refinado puede ser más adecuado durante la mitad de un proyecto, seguido de un modelo SLA terminado y muy refinado hacia el final. Los principales factores que determinan el proceso óptimo son el costo, el personal, la habilidad y el equipo.

Esperamos que estos dos artículos le hayan proporcionado suficiente información para ayudarle a decidir qué opciones de creación de prototipos satisfarán mejor sus necesidades. Los límites entre cada uno de ellos pueden volverse un poco confusos, pero todos tienen sus ventajas y desventajas. Si tiene algún comentario o pregunta, no dude en ponerse en contacto conmigo en [email protected] y podemos hablar. Mucha suerte en tu próximo proyecto.

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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