Impresora tridimensional
2002/09/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia | Urkidi, Leire Iturria: Elhuyar aldizkaria
El diseño de un producto genera grandes quebraderos de cabeza al diseñador. ¿Será fácil de manejar? ¿Se unirá al resto de piezas? ¿Genera problemas a la hora de montar? Todas estas preguntas deben ser contestadas antes de que el producto llegue al mercado. Para ello, son muy útiles las técnicas de prototipado rápido.
Estas técnicas nos permiten disponer en muy poco tiempo de una pieza similar a la que hemos diseñado, un prototipo. Este prototipo permite analizar la forma, tamaño y funcionalidad de la pieza. En definitiva, el objetivo es decidir si el diseño es útil o no.
Los sistemas de prototipos rápidos fueron presentados en Estados Unidos a finales de los años 80. En un principio los procesos eran imprecisos y los materiales estaban muy limitados, pero desde entonces se han dado grandes pasos. En España, el centro tecnológico eibarrés Tekniker fue pionero en el desarrollo de estas tecnologías y el trabajo realizado fue la base del trabajo posterior de la empresa Idelt. Tras seis años de investigación, esta nueva empresa abrió sus puertas en Elgoibar en 1998.
Prototipos
Existen numerosas técnicas de prototipado, dependiendo de la pieza que se quiera realizar se seleccionará una u otra. Si el objetivo es conocer si es estéticamente apropiado o no, bastará con crear un prototipo conceptual, es decir, el material que se va a utilizar no será el que se vaya a utilizar posteriormente en el proceso de fabricación, pero como prueba es muy útil.
Una de las técnicas que utiliza Idelt para elaborar modelos conceptuales es la impresora tridimensional. Esta tecnología permite al diseñador disponer en pocas horas de la pieza que acaba de diseñar. Para verlo utilizaremos un ejemplo: el objetivo es crear un recuerdo de bronce a partir de un logotipo dibujado en papel.
Proceso de impresión
Para empezar, hay que introducir la imagen seleccionada en el ordenador, que se puede tomar desde una foto, un plano o desde Internet, es decir, desde cualquier imagen bidimensional.
Después hay que darle volumen a la foto, es decir, convertirla en diseño tridimensional. Para ello se utilizan programas informáticos estándar como el CAD. Estos programas permiten diseñar imágenes en tres dimensiones. Por tanto, en este paso se realiza el diseño. Posteriormente, en los siguientes pasos, esta pieza se realiza a través del proceso descrito. Y si no se ha conseguido lo que se quería conseguir, porque la pieza no tiene las características necesarias, por ejemplo, se vuelve a este paso y se mejora el diseño de la pieza en el ordenador.
Antes de enviar la información a la impresora es imprescindible crear el fichero STL, que es el formato que utilizan las tecnologías de prototipos rápidos. Desde allí leerá los detalles geométricos de la pieza.
Una vez enviado el fichero, la impresora tridimensional empieza a trabajar. Funciona igual que el resto de impresoras pero usando cera en lugar de trabajar con tinta. Desde el fichero STL se lee la cantidad y ubicación de la cera necesaria en cada momento y con esta información se realiza la pieza.
En nuestro ejemplo, el resultado es un logotipo convertido en figura de cera, es decir, un prototipo conceptual que sirve para analizar el diseño. En este paso radica la principal ventaja de este sistema. De hecho, una vez aquí se puede dar por finalizado el proceso. Si la pieza no es de su agrado o presenta defectos, se puede realizar un nuevo diseño y reiniciar el proceso.
Pero se puede seguir adelante y realizar otro tipo de prototipos. Dado que el prototipo está fabricado en cera, mediante un proceso que funde la cera se puede obtener una pieza compuesta por otro metal.
El prototipo se rodeará de un material cerámico para la fabricación del molde. Una vez realizado el molde, la cera se fundirá y el hueco dejado se rellenará con otro material, acero, aluminio, etc. que el cliente puede elegir. En nuestro ejemplo se ha optado por hacer un recordatorio en bronce, pero en este proceso se puede utilizar cualquier material que se pueda inyectar en un molde.
El molde se rellena con metal fundido y cuando se enfría se abre y de ahí sale la pieza de bronce terminada. Mediante este sistema esta pieza tendrá las características necesarias, es decir, no tendrá problemas de diseño. En la metodología tradicional, sin embargo, los análisis deberían realizarse sobre la pieza de bronce. En caso de fallo, la repetición del proceso sería demasiado cara con el bronce.
Turno resina
La estereolitografía o SLA es otra técnica de prototipado rápido. La diferencia más significativa con respecto a la impresora tridimensional es el uso del láser. A este sistema se le ha llamado también máquina mágica, ya que convierte el plástico líquido en un cuerpo sólido tridimensional. Una vez finalizado el diseño, se genera el fichero STL utilizado por esta tecnología y se envía directamente a la máquina.
Nada más ponerlo en funcionamiento, el rayo láser en el recipiente que contiene la resina líquida comienza a trabajar, dibuja la pieza que va a realizar y se apaga inmediatamente después de hacer la primera capa. La materia prima utilizada en el proceso son las resinas epoxi estándar y el resultado es una pieza transparente.
Esta tecnología permite realizar la pieza por capas, por lo que al apagar el láser hay una capa terminada y en los puntos en los que el láser ha tocado la resina se ha solidificado. Los prototipos se construyen de abajo a arriba. Los puntos afectados por el láser se van uniendo a la capa inferior hasta finalizar la pieza.
El líquido sobrante queda en el recipiente para ser utilizado en las siguientes capas y la base móvil que sujeta la pieza va poco a poco hacia abajo. Una vez terminada la pieza, la base móvil sube para poder sacar la pieza. Se saca y se lleva a un horno de rayos ultravioleta para endurecer la pieza.
Opción material
Ya hemos conseguido el prototipo dimensional o funcional y ahora podemos probar si coincide o no con el resto de piezas. Sin embargo, si se desea se puede obtener un prototipo más útil utilizando el mismo material en el que se va a fabricar la pieza.
Sin embargo, la diferencia radica en que los modos en los que se fabricará el prototipo y posteriormente la pieza son completamente diferentes. El proceso de obtención del prototipo experimental es más corto y, al igual que en el logotipo anterior, la pieza final se realizará mediante molde. En este caso se utilizará silicona para la fabricación del molde. Rodear la pieza con silicona, abrirla cuando esté totalmente endurecida, sacar la pieza realizada con estereolitografía y después cerrar introducir el poliuretano. No hay diferencias entre este prototipo y la pieza real.
Estas tecnologías han sido utilizadas hasta el momento por los sectores de automoción, telecomunicaciones y electrodomésticos, pero cada vez son más los sectores que necesitan estas técnicas, como la medicina.
Listo para comercializar
Una de las ventajas de la estereolitografía es su precisión. Además, mediante técnicas de generación rápida de prototipos se consigue reducir el tiempo de puesta en el mercado del producto. Si las piezas son defectuosas se detectan antes, por lo que el coste puede reducirse significativamente.
Además, a menudo el prototipo experimental, es decir, el que no tiene diferencias con la pieza real, se realiza cuando se solicita para adelantar campañas de marketing o para detectar su impacto en el mercado. Por tanto, las ventajas que ofrecen los prototipos económicamente son enormes.
Ficheros STL
Este formato recibe el nombre de estereolitografía en inglés. Estos ficheros STL se utilizan en procedimientos informáticos de manufactura de piezas tridimensionales. Por ello, almacenan la información de la geometría de un sólido tridimensional.
La geometría de los sólidos se define mediante superficies triangulares, es decir, que representan la forma y el tamaño del sólido a programas de ordenador. Este tipo de ficheros, además del diseño de piezas, pueden ser utilizados para determinar las estructuras requeridas en arquitectura e ingeniería.
Aplicaciones espectaculares
La tecnología de prototipos es aplicable no sólo a la industria, sino también a otros muchos campos. En medicina, por ejemplo, se puede combinar con técnicas de exploración corporal interna.
Si se realiza una tomografía a un paciente con cáncer cerebral, el resultado es sólo un fichero de ordenadores. Este fichero contiene la información de la estructura interna del cabezal y puede convertirse en formato STL. A partir del fichero de este formato, y mediante las técnicas empleadas por la empresa Idelt, se puede realizar un prototipo de cabeza con cera u otro material. Se trata únicamente de un procedimiento de copia del cabezal.
Esta copia del cabezal incluirá una copia exacta del tumor, por lo que el cirujano puede conocer la vía más adecuada para utilizar el bisturí antes de entrar en el quirófano.
Esto aumenta la eficacia de la operación, el médico no encuentra sorpresas y disminuye ligeramente el riesgo del paciente.
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