ROTOMOLDEO. Materiales y procesos III

Transcripción

1 ROTOMOLDEO Materiales y procesos III

2 ROTOMOLDEO El moldeo rotacional o rotomoldeo es una técnica para procesar polímeros, de tal forma que, permite obtener piezas huecas de tamaño mediano a muy grande con relativamente poco material y buena estabilidad dimensional

3 PRINCIPIOS DEL ROTOMOLDEO El rotomoldeo es un proceso de transformación de plásticos empleado para producir piezas huecas, en el que plástico en polvo o líquido se vierte dentro de un molde luego se lo hace girar en dos ejes biaxiales mientras se calienta. El plástico se funde, en lo que se distribuye y adhiere en toda la superficie interna del molde. Finalmente este molde se enfría para permitir la extracción de la pieza terminada.

4 PRINCIPIOS DE ROTOMOLDEO

5 PRINCIPIOS DE ROTOMOLDEO En años recientes, el Rotomoldeo ha llamado la atención de la comunidad industrial debido a las cualidades que presenta. Este proceso mejorando día a día de tal forma que hoy dia es considerado entre los procesos de transformación de materiales con mayor madurez tecnológica, esto debido a las innovaciones en equipo, materiales y técnicas de control que han sido incorporados

6 Este proceso permite una gran libertad de diseño, pues es factible producir objetos sorpresivamente complejos con herramentales relativamente sencillas y de bajo costo que en otros casos sería imposible moldear con otro proceso

7 ETAPAS DEL PROCESO

8 OBSERVACIONES AL PROCESO En la fabricación de piezas huecas, con geometría de curvas complejas, pared uniforme, y contrasalidas, el rotomoldeo es una alternativa con menor costo frente al moldeo por soplado. Sin mencionar que debido a las bajas presiones empleadas en el moldeo rotacional se producen piezas con tensiones internas mínimas, presentando un buen comportamiento mecánico debido a su mayor solidez en comparación con las piezas producidas a través del Soplado o la Inyección.

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10 OBSERVACIONES AL PROCESO Los niveles productivos del rotomoldeo varian de algunas cuantas piezas, a cientos o miles de objetos, también se adecua a la producción en baja escala con vista a la obtención de prototipos. Debido a la libertad de diseño, este proceso sobresale entre las técnicas de alta velocidad y productividad. El bajo costo de este proceso permite la experimentación con diversos materiales, distribución en el calibre de pared o con el acabado de las piezas.

11 OBSERVACIONES AL PROCESO Desde pequeñas piezas como los son partes de muñecas y pelotas (con las cuales el rotomoldeo se posicionó en el mercado hace años), hasta artículos de alto desempeño físico o alta capacidad en volumen; este proceso presenta varias ventajas frente a otros procedimientos de transformación para obtener piezas huecas tridimensionales donde las juntas del molde son prácticamente invisibles.

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13 MATERIALES El rotomoldeo transforma materiales termoplásticos, de los más comunes son: PEAD, el PVC en su presentación como Plastisol y PA. Mientras el Plastisol tiene una consistencia liquida, el PEAD y la PA se alimentan como polvos. De otra forma no podrían ser fundidos ni moldeados ya que el calor para realizar esto se transmite al material por conducción, proceso optimizado al aumentar el área de contacto en un polvo; considerando además, que en este estado el plástico puede fluir para tocar todas las paredes del molde mientras vaya girando.

14 MATERIALES

15 MATERIALES En función de la materia prima utilizada, dependerán los tiempos de cada etapa del ciclo. Para un plastisol (PVC con plastificante) el calentamiento tiene la función de solidificar el material y el posterior enfriado solo tiene la función de bajar la temperatura de la pieza conformada. En el caso del PEAD, el calentamiento tiene la finalidad de proporcionar la temperatura necesaria para la fusión del material para que se disperse por toda la superficie del molde durante la rotación, mientras que la etapa de enfriado solidifica el material para la obtención de la pieza conformada

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17 CONSIDERACIONES Los espesores de pared de los artículos rotomoldeados por lo general permanecen constantes, donde el espesor puede ir de 1mm hasta el grosor que se requiera de acuerdo a las funciones de la pieza. Las paredes delgadas gemelas presentan excelentes propiedades de resistencia a la carga. Las roscas, orificios e insertos metálicos se pueden incorporar a la pieza dentro del mismo proceso (dependiendo del diseño), eliminando costos por operaciones secundarias necesarias en otros procesos de transformación.

18 CONSIDERACIONES Es posible fabricar artículos simétricos o asimétricos, en formas complejas y aún aquellas que presentan contrasalidas. Este proceso ofrece flexibilidad en cuanto al tamaño del producto, siendo factible moldear desde pequeños bulbos, para lavado auditivo, hasta tanques de almacenamiento de más de 15,000 litros; sin embargo, la mejor productividad se obtiene con moldes medianos y grandes. Existen bajos niveles de desperdicio ya que este proceso no requiere el uso de coladas, ni bebederos. El material excedente o no deseado es poco en comparación con otros procesos para fabricar piezas huecas.

19 DESCIPCIÓN DEL PROCESO El proceso de rotomoldeo consiste en cuatro pasos: Una cantidad de plástico, ya sea en forma líquida o en polvo, se deposita en el molde. Tras cerrarlo, el molde se rota biaxialmente en el interior de un horno. El plástico se funde y cubre las paredes internas del molde. El molde se retira del horno y se traslada a una zona de enfriamiento. Finalmente se abre el molde y se retira la pieza hueca

20 DESCIPCIÓN DEL PROCESO

21 DESCRIPCION DEL PROCESO La maquinaria de rotomoldeo es relativamente más económica que la maquinaria que se usa habitualmente en otras técnicas de procesado de plásticos. Esta técnica permite procesar distintos moldes con diferentes formas y tamaños al mismo tiempo.

22 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Aun cuando la maquinaria y moldes para esta tecnología son simples, es necesario el conocimiento del comportamiento del material, para la obtención de productos de calidad. Es de tomar en cuenta aspectos como la porosidad, la distribución de tamaño, la distribución del pigmento, el tiempo de cada ciclo, las dilataciones o compresiones, las velocidades de enfriamiento y calentamiento, el material del molde y la velocidad de rotación. Todas estas variables deben ser cuidadosamente ajustadas para evitar problemas.

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24 MAQUINARIA UTILIZADA La maquinaria utilizada es relativamente simple comparada con otros procesos de transformación (ejemplos: inyección, extrusión, etc.) El rotomoldeo se puede clasificar por las diferentes formas de calentamiento utilizadas: Por flama abierta En hornos cerrados

25 PROCESO A FLAMA ABIERTA En el rotomoldeo por flama abierta el calentamiento se realiza por mecheros que rodean al molde al aire libre. Lo cual provoca que la mayor parte del calor se disipe al medio ambiente. Por otro lado estas máquinas no pueden hacer giros biaxiales al mismo tiempo. Están sometidas a realizar giros de 360 grados y el siguiente giro lo tienen en aproximadamente 45 grados. Razones por la cual no se pueden realizar piezas complejas por el método de llama abierta. En el método por horneado el molde es introducido en un horno cerrado en donde se hace girar. Este último método permite un mejor control de los parámetros de temperatura

26 PROCESO A FLAMA ABIERTA

27 EN HORNO En estos hornos los moldes son introducidos en el horno alternativamente en un eje lineal. Mientras uno está en etapa de calentamiento, el otro está en etapa de enfriado y desmolde por flujo de aire proveniente de ventiladores

28 EN HORNO

29 HORNO BASCULANTE (ROCK AND ROLL) En el horno basculante o rock and roll, el molde gira el eje longitudinal mientras se balancea, sin completar el giro, sobre su eje lateral. Por lo general, se trata de moldes para obtención de piezas de un largo considerable como el caso de canoas de seis o más metros.

30 HORNO BASCULANTE

31 ESTACION SIMPLE (CLAM SHELL) Este método cuenta con un único brazo portador de un único molde, que se introduce en un horno tipo almeja o clam shell para el calentamiento del material.

32 ESTACION SIMPLE (CLAM SHELL)

33 EQUIPOS ESPECIALES También existen equipos de rotomoldeo que mediante uno o mas brazos introducen el molde en un horno para la fusión del material, siendo el mismo brazo el que lo introduce en una estación de enfriamiento. Las más comunes son las siguientes.

34 BRAZO TRES ESTACIONES

35 CARROUSEL 3 BRAZOS, 3 ESTACIONES

36 MOLDES Cada brazo puede poseer uno o varios moldes. Lo que va a depender del tamaño de pieza que se desea obtener. Para piezas relativamente pequeñas cada brazo puede poseer hasta 30 moldes individuales. El movimiento biaxial se consigue mediante un juego de engranajes cónicos que transmite el giro de un eje interno del eje de giro primario, al eje de giro secundario.

37 MOLDE CUATRO CAVIDADES

38 MOLDE MULTICAVIDADES

39 MATERIALES PARA REALIZACIÓN DE MOLDES Regularmente los materiales para la configuración de los molde para el procesos de rotomoldeo suelen estar constituidos por lamina negra, acero inoxidable o aluminio. Dependiendo de la superficie de los moldes se pueden lograr diferentes superficies en el producto terminado. Por ejemplo se pueden lograr superficies esmeriladas mediante la aplicación de un enarenado (sand blast) a la superficie interna del molde (en contacto con el plástico).

40 MOLDES

41 MOLDES

42 MOLDES

43 MOLDES

44 APLICACIONES

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46 APLICACIONES

47 APLICACIONES

48 APLICACIONES

49 APLICACIONES

50 APLICACIONES

51 APLICACIONES

52 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA SOLDADURA de PLASTICOS Proceso Los fenómenos físicos necesarios para que se produzca una unión por soldadura son una combinación de: Temperatura Tiempo Presión La temperatura y tiempo aplicados en una zona del material a unir producen una fusión o reblandecimiento local en los sustratos que quedan perfectamente unidos una vez aplicada la presión necesaria. MATERIALES Y PROCESOS III

53 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA El proceso de soldadura consta de las siguientes etapas: 1. Preparación superficial 2. Calentamiento 3. Consolidación 4. Enfriamiento MATERIALES Y PROCESOS III

54 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 1. Preparación superficial Al fabricar piezas con termoplásticos, éstas tienen inexorablemente restos del desmoldante aplicado en los moldes. Para el proceso de soldadura estos restos equivalen a impurezas superficiales que dificultan tal acción, es por ello que antes de proceder a la soldadura debe realizarse una limpieza superficial, ya sea por medios mecánicos o mediante abrasivos químicos. MATERIALES Y PROCESOS III

55 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 2. Calentamiento Diferencia entre los polímeros amorfos y semicristalinos: La temperatura a partir de la cual se hacen fluidos. Amorfos morfos: Se produce una gran disminución de su viscosidad al alcanzar su temperatura de transición vítrea o Tg, Semicristalinos micristalinos: A su paso por la Tg no experimentan grandes cambios, teniendo que alcanzarse su temperatura de fusión o Tm para conseguir las condiciones de fluidez adecuadas. MATERIALES Y PROCESOS III

56 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 3. Consolidación Esta etapa engloba a la etapa de calentamiento y parte de la de enfriamiento. Está caracterizada por la aplicación de una presión, que comienza con la elevación de la temperatura y que termina una vez la matriz alcanza consistencia suficiente durante el enfriamiento. MATERIALES Y PROCESOS III

57 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA Para que exista una correcta unión debe haber lo que se denomina contacto íntimo (líquido líquido) entre sustratos, donde la resina, fluyendo, empuja fuera de la entrecara el aire atrapado. Acto seguido se produce una difusión intermolecular entre ambos sustratos llamada autohesión. Autohesión MATERIALES Y PROCESOS III

58 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 4. Enfriamiento Como su propio nombre indica en esta etapa la resina se enfría, lo que conlleva la resolidificación de la misma. Durante esta fase es crítico mantener una presión adecuada hasta que la matriz alcanza la resistencia suficiente, ya que, de lo contrario se podrían producir delaminaciones y la operación no sería válida. En función de las propiedades mecánicas que se quieran conseguir (más o menos cristalinidad) se requerirá una velocidad de enfriamiento u otra, por lo que el proceso de enfriamiento debe estar en todo momento controlado. MATERIALES Y PROCESOS III

59 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA Métodos de soldadura Clasificación Existen diversos métodos de soldadura que se diferencian según el modo en que se consigue la temperatura de proceso requerida. MATERIALES Y PROCESOS III

60 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA En función de la forma de conseguir el calentamiento, se puede hacer la siguiente clasificación: 1. Fricción: Ultrasonidos 2. Electromagnético/Eléctrico: Inducción Resistencia 3. Radiación: Calor radiante (láser, infrarrojos) Dieléctrico y microondas 4. Acceso directo: Placa caliente o espejo Gas caliente MATERIALES Y PROCESOS III

61 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 1. Fricción: Ultrasonidos Produce el calentamiento mediante vibraciones ultrasónicas. La peculiaridad de este método es que no son los sustratos los que se mueven de forma relativa, ahora éstos se encuentran unidos bajo presión y las vibraciones se transmiten mediante un sonotrodo. Para que los ultrasonidos tengan un mayor efecto es preciso que, en la entrecara de la unión de los sustratos, existan puntos que concentren esfuerzos y deformación. MATERIALES Y PROCESOS III

62 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 2. Electromagnético/Eléctrico: Inducción Esta soldadura permite llevar un control estricto de la presión de consolidación mediante la prensa situada a la salida de la bobina de inducción. El procedimiento se lleva a cabo mediante un elemento susceptible a las variaciones de un campo magnético, situado en la entrecara de los sustratos. Resistencia Las soldaduras realizadas son generalmente alargadas y su longitud depende de la potencia disponible en la fuente de alimentación. MATERIALES Y PROCESOS III

63 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 3. Radiación: Calor radiante Esta técnica de soldadura se caracteriza por realizar un calentamiento directo sobre las superficies a unir mediante radiación electromagnética. Tras alcanzar la temperatura adecuada los sustratos se unen mediante presión. Ej. Soldadura mediante infrarrojos y láser. Estos procesos permiten mantener siempre un control fino de la temperatura de calentamiento mediante técnicas de medición muy precisas. Dieléctrico y microondas Este tipo de soldadura se realiza aplicando, sobre los dos sustratos unidos mediante presión, los campos eléctricos correspondientes. MATERIALES Y PROCESOS III

64 VINCULACIONES en PLASTICOS: SOLDADURA 4. Acceso directo: Placa caliente El método de placa caliente o también conocido como soldadura por espejo consiste en calentar las superficies de unión poniéndolas en contacto con una placa metálica calefactada. Gas caliente El calentamiento de los sustratos se realiza mediante un chorro de gas a temperatura elevada. Este gas calienta a su vez la varilla de material de aporte, material que debe ser de la misma naturaleza que los sustratos a unir y que se va depositando en la unión una vez que aquí se alcanza la temperatura adecuada. MATERIALES Y PROCESOS III

65 VINC CULACIONES en PLASTICOS: Por pres sión: Snap Fit Una presilla o snap fit es un mecanismo integral de enganche para fijar una parte con otra. Una presilla es diferente de otros métodos de fijación, ya que no requiere de elementos adicionales para llevar a cabo la función de fijación. Los elementos de acoplamiento se deforman elásticamente para que se produzca la interferencia, permitiendo que las partes encajen. Se asocian de forma común con los plásticos, aunque también se pueden usar de forma efectiva en aplicaciones metal-metal o plástico-metal. MATERIALES Y PROCESOS III

66 VINC CULACIONES en PLASTICOS: Por pres sión: Snap Fit Materiales El criterio más importante paraa un ajuste a presión es la flexibilidad, esta puede ser grande o pequeña dependiendo del tipo de bloqueo. Las presillas se usan más en los plásticos por la flexibilidad del material. Tecnologías de procesamientoo del plástico como el moldeo por inyección han permitido obtener formas complejas económicamente viables. Esta técnica permite obtener una muy buena relación costo - eficiencia ya que se reduce el tiempo de ensamblaje y minimiza el número de piezas que se necesitan debido a que las piezas de acoplamiento son moldeadas directamente al mismo tiempo que las partes, siendo ambas del mismo material. MATERIALES Y PROCESOS III

67 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Al realizar los cálculos para el diseño de las presillas hay que tener en cuenta cuatro características para el material: Coeficiente fricción (µ), Módulo de elasticidad (E), tensión (σ) y deformación (ε). MATERIALES Y PROCESOS III

68 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit MATERIALES Y PROCESOS III

69 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Hay que tener en cuenta tres supuestos para los plásticos: 1. Linealidad elástica. Los plásticos tienen linealidad elástica en la zona en la que trabajan. 2. Homogeneidad. Es homogéneo aunque en realidad depende de muchos factores como la materia prima, el flujo molde y la refrigeración. 3. Isótropos. Los plásticos no son exactamente isótropos aunque se garantiza que las mejores propiedades están en la dirección correcta. MATERIALES Y PROCESOS III

70 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Características Las características fundamentales son: 1. la fortaleza 2. la restricción 3. la compatibilidad y 4. la robustez. MATERIALES Y PROCESOS III

71 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Aptitud para el ensamblaje En las uniones mediante presillas el ensamblaje se realiza de forma muy rápida, ya que solo se requiere de una pequeña deformación elástica de los elementos de interferencia para realizar la unión. No se precisa de de herramientas o maquinaria especial. Debido a la facilidad de ensamblaje, este método se puede llevar a cabo de forma eficiente mediante trabajadores o mediante automatización. MATERIALES Y PROCESOS III

72 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Desmontabilidad La desmontabilidad de la unión depende de la naturaleza y del tipo de bloqueo. Naturaleza del bloqueo: Permanente: Cuando se aplica un bloqueo permanente el desmontaje es difícil. No permanente: Se utiliza cuando la aplicación está destinada a desmontarse, debido a su facilidad. Tipo de bloqueo: Liberación del bloqueo: diseñado para permitir la separación de las partes cuando se aplica una fuerza a las mismas. No liberación del bloqueo: requiere de la desviación manual del cierre para la separación de las partes. Hay que aplicar una fuerza y ejercer una deformación. MATERIALES Y PROCESOS III

73 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Nivel de seguridad Presilla fija: no hay movimiento relativo entre las partes después de fijarse. Presilla móvil: hay movimiento relativo entre las partes después de fijarse. Dirección de acoplamiento: Es la dirección final en la que la pieza de encaje se mueve para realizar la unión. Es importante seleccionar una dirección de forma que la opuesta no esté en la misma dirección que una fuerza significativa en la fijación, ya que si se diera este caso la unión debería soportar un mayor esfuerzo pudiendo llegar a la rotura de la misma. MATERIALES Y PROCESOS III

74 VINCULACIONES en PLASTICOS: Por presión: Snap Fit Aplicaciones Las ventajas de la facilidad de montaje y desmontaje y las capacidades de ingeniería cada vez mayores en plásticos, hacen ahora de las presillas un serio candidato para las aplicaciones una vez considerados otros métodos alternativos. Mientras en juguetes o pequeñas aplicaciones las presillas ya se han utilizado durante mucho tiempo, este método de unión se está extendiendo en la actualidad en componentes de automoción o campos electrónicos, así como en aplicaciones estructurales. MATERIALES Y PROCESOS III

75 Qué es el Prototipado Rápido o "Rapid Prototyping"? Resumen El "rapid prototyping" o prototipado rápido es el proceso de obtención de objetos sólidos a partir de modelos CAD en 3D (3 dimensiones), mediante el uso de un conjunto de tecnologías basadas fundamentalmente en sistemas laser. En el presente documento se describen las diversas tecnologías existentes, aplicaciones concretas y tendencias de futuro de este proceso que ha permitido reducir los plazos y los costes de desarrollo de los productos, evitando errores y obteniendo diseños óptimos en tiempos más cortos. Qué es el prototipado rápido y que utilidad y beneficios aporta? El "rapid prototyping" o prototipado rápido es el proceso de obtención de objetos sólidos a partir de modelos CAD en 3 Dimensiones, mediante el uso de un conjunto de tecnologías basadas fundamentalmente, aunque no exclusivamente, en sistemas laser, sin la necesidad del uso de herramientas de fabricación convencionales. El prototipado rápido nace fundamentalmente con la aparición de la estereolitografía y crece con el desarrollo de las demas tecnologías de fabricación laminada, es decir aquellas que permiten la construcción del prototipo mediante la acumulación de capas, secciones del modelo de espesor determinado, a través diversos procesos: Polimerización (endurecimiento) de resinas fotosensibles, punto a punto o capa a capa. Sinterización de materiales termofusibles como las poliamidas. Fusión de materiales plásticos como el ABS y termopolímeros

76 Corte de papel tratado. Proyección de aglutinantes. La aplicación principal de estas tecnologías es el desarrollo de modelos y prototipos en un plazo muy breve: de ingeniería para probar la forma, el tamaño y la Modelos funcionalidad de la pieza.. maestros para fabricar moldes de proyección metálica y Modelos para moldes de silicona para colado bajo vacio. Modelos patrones para fundición y el método de la cera perdida. Prototipos de series cortas. Modelos para presentaciones de marketing. Los principales beneficios del uso de estas tecnologías son los siguientes: Aceleración del diseño conceptual rapidez de las iteraciones durante el ciclo de diseño y Mayor rápida revisión de diseños Reducción de errores Identificación temprana de los problemas de fabricación Mejora la calidad del producto Inmediata realimentación entre los grupos de trabajo Reducción en la producción de moldes y patrones Obtención de modelos reales para marketing Reducción del tiempo de salida al mercado

77 Orígenes y evolución del prototipado rápido El 3 de enero de 1988, la empresa 3D Systems inició la era de los prototipos rápidos al enviar sus tres primeras máquinas de estereolitografia a las empresas Baxter Healthcare Corp., Eastman Kodak y Pratt & Whitney. La empresa se había creado en marzo de 1986 por parte de Charles Hull y un pequeño grupo de socios, armados con la patente de lo que Hull había llamado Estereolitografia (SL). A partir de la aparición de esta tecnología, a lo largo de los años 90, se han ido desarrollando nuevas tecnologías en diferentes lugares del mundo: Alemania, Francia, Israel y Japón. La evolución principal de este proceso se ha ido produciendo en el tipo de materiales a utilizar para la construcción del prototipo. Los esfuerzos se dirigen a obtener el prototipo bien con el material final o bien en un material que tenga prestaciones mecánicas y químicas muy similares al material final. Incluso se están construyendo modelos multimateriales, es decir que la propia pieza tenga partes plásticas y metálicas. Descripción de las tecnologías existentes Las tecnologías de prototipado rápido son capaces de generar objetos físicos directamente desde los datos de un CAD. Están basadas principalmente en las llamadas Técnicas de Fabricación por capas (Layer Manufacturing Technologies), las cuales parten del modelo matemático en 3 Dimensiones de un objeto, generado en un CAD. La definición del objeto se obtiene por aproximación poliédrica de su superficie, con una determinada tolerancia, esta malla de triángulos constituye el fichero STL. El fichero STL se introduce en el ordenador del equipo de fabricación de prototipos donde

78 se orienta, se escala y se rebana, convirtiendo la geometría 3D del objeto en una serie de capas de geometría 2D. A parir de aquí se produce el objeto físico por apilamiento de las capas definidas. Las principales tecnologías existentes, clasificadas según el tipo de proceso son las siguientes: CLASIFICACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO. Sustractiva Aditiva Capa Completa Capa Completa Punto por Punto Con Láser Fabricación por corte de láminas Laminated Object Manufacturing (LOM): Helisys (USA) Strato Conception: ESSTIN (F) Sin Láser Fotopolimerización por luz UV Solid Ground Curing: Cubital (Israel) Sin Láser Deposición de hilo fundido Fused Deposit Modelling: Stratasys (USA)

79 Proyección de Aglutinante 3D Printing MIT: Solingen (USA) Con Láser Estereolitografía (Solidificación de Resina) SLA: 3D Systems (USA) Stereos: EOS (Alemania) SPL: Laser 3D (Francia) Solid Creation System: Sony (Japón) SOMOS Dupont: Teijin-Seiki (Japón) oup: Mitsubishi (Japón) Sinterización Selective Laser Sintering (SLS): DTM (USA) Fuente: Industries et Techniques, a partir de un documento de Dassault Aviation Estereolitografia (SLA): Este proceso se basa en la solidificación de resinas por polimerización, mediante un haz láser. La pieza se construye sobre una plataforma que, para preparar la polimerización de una nueva capa, baja al nivel suficiente para que la capa anterior se quede ligeramente por debajo de la superficie del baño líquido. Posteriormente se precisa un postcurado para que la pieza quede totalmente

80 solidificada. Este tratamiento se realiza en un horno bajo luz ultravioleta. Marcas y empresas: SLA de 3D Systems (USA), Stereos de EOS (Alemania), SPL de Laser 3D (Francia), Solid Creation System de Sony (Japón), SOMOS Dupont de Teijin - Seiki (Japón) y SOUP de Mitshubishi (Japón). Sinterización (SLS): Esta tecnología se basa en la sinterización selectiva de partículas en polvo, mediante la aportación de calor de un laser de CO2 de potencia media. La aplicación selectiva del laser sobre la capa de polvo se efectua mediante un mecanismo de pistones y rodillo de extensión. En principio se puede utilizar cualquier material termoplástico: Policarbonato, PVC, ABS, etc. Marcas y empresas: SLS de DTM (USA). Deposición de hilo fundido (FDM): Este sistema está basado en la extrusión de un cordón de material termoplástico que va conformando la geometría del objeto. Se pueden utilizar todo tipo de materiales termoplástico e incluso cera de fundición. Marcas y empresas: Fueled Deposit Modelling de Stratasys (USA). Proyección de aglutinante (TDP): Este proceso se basa en la proyección de un adhesivo sobre el polvo cerámico en el lugar definido por el CAD, para que se solidifique. Cuando el objeto está completo, se aplica calor para que el polvo pegado quede mejor adherido. Marcas y empresas: 3D Printing MIT de Solingen (USA). Fotopolimerización por luz ultravioleta UV: Esta tecnología se basa en la utilización de luz ultravioleta para polimerizar resinas fotosensibles. Marcas y empresas: Solid Ground Curing de Cubital (Israel). Fabricación por corte de láminas (LOM y Strato): Este proceso fabrica las piezas cortando y soldando láminas entre sí, mediante un haz laser. El procedimiento consiste

81 en pegar una lámina sobre una pila de láminas ya formadas y a continuación el laser corta contorneando la sección generada en un CAD. Principalmente se usan láminas de celulosa y el producto final tiene la consistencia de la madera. Marcas y empresas: LOM de Helisys (USA) y Strato Conception de ESSTIN (Francia). Ventajas e inconvenientes y tabla comparativa Los diversos sistemas existentes actualmente en el mercado tienen ventajas e inconvenientes, se escogerá uno u otro según los requisitos del producto, su complejidad geométrica, el ensayo que se deba efectuar con el prototipo o el propósito de la pieza. A continuación se resumen las principales aplicaciones de las tecnologías descritas: La estereolitografia que utiliza resinas de propósito general, se aplica a la obtención de modelos conceptuales, a la obtención de patrones de series cortas en el moldeo al vacio o microfusión y a la creación de modelos funcionales, siempre que los ensayos no sean muy exigentes en requerimientos mecánicos y térmicos, aunque para estos casos también se pueden utilizar resinas específicas. Se debe destacar la alta precisión de los prototipos obtenidos mediante esta tecnología y la facilidad con que se pueden obtener acabados superficiales de alta calidad, como el pulido espejo. También es la tecnología más veterana. El sinterizado de poliamidas es muy adecuado para la obtención de prototipos funcionales, para poder analizar aspectos mecánicos y de comportamiento térmico. También tiene aplicaciones en la obtención de modelos conceptuales y patrón. Una ventaja considerable es la gran variedad de materiales que se pueden utiliza.

82 El conjunto de tecnologías agrupados en las denominadas impresoras tridimensionales (proyección de aglutinante) proporcionan modelos visuales o conceptuales de forma muy rápida, a veces en menos de una hora. Los acabados superficiales y la precisión dimensional es en algunos casos menor que la de las tecnologías anteriores. La fabricación por corte de láminas (LOM) se usa principalmente para la obtención de piezas de gran volumen y para patrones de microfusión. A continuación se presenta una tabla comparativa de cinco tecnologías comercializadas: COMPARACIÓN ENTRE 5 TECNOLOGÍAS COMERCIALIZADAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO Nombre SLA SGC SLS LOM FDM Fabricantes 3D Systems Cubital DTM Helisiys Stratasys Láser SI NO SI SI NO Tamaño máximo de las piezas en cm, ancho x largo x alto Precio $ USA ,5 25,5 25, , Diámetro a , ,5 30,5 30,

83 Materiales Fotopolímeros FotopolímerosPVC, Papel, policarbonatos, poliéster y nylon y ceras nyloncelulosa Ventajas Tecnología Precisión más madura hasta 0,1% Rápido Precisión del 2% DesventajasLos modelos son translúcidos Mayor precisión (según Cubital) Según Cubital, mejores propiedades mecánicas debido a la forma de polimerización No hacen falta soportes Es el equipo más caro Material más barato. No huele Más variedad de materiales que tienen mejores propiedades mecánicas que los fotopolímeros No hacen falta soportes Más rápido que otros métodos, porque el láser sólo tiene que trazar los contornos de la capa Barato. No huele Tolerancias deldeformación 5% de las láminas por los esfuerzos Ceras, ABS y plástico tipo nylon Material más barato. No huele No hacen falta soportes Más rápido que SLA Apariencia granulada

84 Aplicaciones concretas Los modelos son quebradizos (aunque han ido mejorando) Algunas partes requieren soportes Complejidad El proceso es más nuevo. Menos extendido Tamaño del equipo (pesa 5 toneladas) Salvo el PVC, las piezas tienen un aspecto laminado que puede producir el calor Las tecnologías de prototipado rápido tienen aplicación en muchos sectores, ya que en principio toda empresa que disponga de departamento de desarrollo de productos es un potencial usuario de estas tecnologías. El sector más importante por volumen de facturación es, sin duda, el de la automoción, y cabe destacar también el de la herramienta portátil y el pequeño aparato electrodoméstico. Otros sectores son el de los componentes electrónicos, el material eléctrico, los aparatos y equipos de telecomunicaciones, los productos médico-sanitarios (implantes), los envases y los juguetes. Bibliografía

85 Rapid Prototyping Technology Keneth COOPER New York: Marcel Dekker, 2001 Compilación de todos los sistemas de prototipado rápido existentes analizados por el autor con sus pros y contras. El libro incluye también los métodos históricos y algunos casos prácticos. Además de las aplicaciones más comunes de esta tecnología de producción Cooper no se olvida de los usos secundarios del rapid prototyping construyendo, de esta manera, un texto de referencia básico sobre la materia. Laser Induced Materials and Processes for Rapid Prototyping L. LU, J.Y.H. FUH, Y.S. WONG Boston: Kluwer Academic Publishers, 2001 Este libro se centra en el análisis de las tecnologías láser de prototipado rápido, las explicaciones que contiene no sólo son de carácter informativo, sino que además sientan las bases para futuras aplicaciones comerciales de este sistema. El interés en cuanto a I+D de las industrias y los centros de investigación por el rapid prototyping y el rapid tooling se ha transformado en interés por las utilidades concretas de estos procesos de producción, los autores recogen estas últimas tendencias desglosando los puntos básicos de la tecnología en cuestión. Handbook of Rapid Prototyping and Layered Manufacturing Ming LEU New York: American Society of Manufacturing Engineers, 2001 Este volumen está pendiente de publicación, la primera edición está prevista para marzo de 2002.

86 Glosario Fuente principal: Pilar Lafont, Prototipado Rápido e Ingeniería Inversa, Revista de Plásticos Modernos, Vol. 77 Nº 574, Abril D Printing Proyección de aglutinante. Encolado de polvos mediante aglutinante. Inicialmente un rodillo extiende una capa de polvo cerámico para que después una cabeza inyectora proyecte un adhesivo sobre el polvo en el lugar definido por el CAD, donde la solidificación es necesaria. Cuando se ha completado una capa, el pistón del cilindro que alberga el polvo cerámico desciende una determinada distancia y una nueva capa de polvo es extendida en lo alto del cilindro, y selectivamente pegada. Cuando el objeto está completo, se aplica calor para que el polvo pegado quede mejor adherido. BPM: Ballistic Particle Manufacturing BPM Technology Inc. presenta una técnica para la creación de prototipos conceptuales y formales. Consiste en la proyección de millones de partículas microscópicas de un polímero caliente que se consolida en el punto de impacto sobre la capa anteriormente creada. La geometría se genera moviendo la boquilla proyectora en las direcciones x e y. Una vez formada una capa, la plataforma de base desciende una distancia especificada y una nueva capa puede ser creada encima de la anterior. Se genera tan sólo la corteza de la pieza, por lo que la consistencia del prototipo es frágil. CAD Actualmente el término CAD significa proceso de diseño que utiliza sofisticadas técnicas gráficas de ordenador apoyadas en paquetes de software para ayuda en todos los

87 problemas asociados con el diseño. Colada Bajo Vacío Esta técnica permite obtener prototipos plásticos de diseño complejo, que reproducen fielmente el modelo original, colando resinas de poliuretano en moldes blandos de silicona. FDM: Fused Deposit Modelling Deposición de hilo fundido. Solidificación de materiales termofusibles. Este sistema, desarrollado por Stratasys Inc. está basado en la extrusión de un cordón de material termoplástico que va conformando la geometría del objeto. Permite la utilización de diversos materiales plásticos, incluso cera de fundición. Fichero STL El fichero STL se introduce en el ordenador del equipo de fabricación de prototipos donde se orienta, se escala (en previsión de contracciones durante y después del proceso) y se rebana, convirtiendo la geometría 3D del objeto en una serie de capas de geometría 2D. A continuación el sistema de fabricación es capaz de producir el objeto físico por apilamiento de las capas así definidas. Ingeniería Inversa Generación de un Modelo CAD a partir de un Modelo Físico. Es realmente un proceso inverso de pototipado. En todo proceso de Ingeniería Invertida se pueden considerar dos fases: la digitalización o medida del objeto y la reconstrucción o modelado en 3D del objeto a partir de los datos obtenidos. Entre sus aplicaciones encontramos: la realización de modelos CAD a partir de modelos realizados manualmente, la realización de productos que encajen con alguna parte del cuerpo humano, modelado de objetos que han evolucionado desde su diseño inicial durante el proceso de fabricación, fabricación de prótesis, etc.

88 LOM: Laminated Object Manufacturing Fabricación por corte de láminas. Encolado de hojas de papel. Corte mediante láser. El proceso LOM fabrica piezas cortando y soldando láminas entre sí. Las máquinas comercializadas por Helisys Inc. utilizan láminas de celulosa. El producto final tiene la consistencia de la madera. El procedimiento consiste en pegar una lámina sobre una pila de láminas ya formada y que a continuación un láser corte contorneando la sección generada en un CAD. El exceso de material permanece y actúa como soporte de la siguiente capa. Prototipado Rápido (Rapid Prototyping & Manufacturing) Conjunto de tecnologías capaces de generar objetos físicos directamente desde los datos de un CAD. Tienen en común un hecho importante: que el objeto generado se obtiene añadiendo y no quitando material. Están basadas en las llamadas Técnicas de Fabricación por Capas (Layer Manufacturing Technologies). SGC: Solid Ground Curing Fotopolimerización de resinas mediante lámpara UV. SLA: Estereolitografía (Stereolithography) Tecnología desarrollada por 3D Systems Inc. Los puntos atacados por el haz láser se polimerizan creando una capa consistente. La geometría 2D de cada capa dirige el movimiento de dos espejos galvanométricos que reflejan el haz láser sobre la superficie de trabajo. En la cuba se encuentran una plataforma elevadora que al inicio está justamente bajo la superficie, a una profundidad igual al límite de absorción de la luz. Cuando se ha terminado de construir una capa, la plataforma desciende una distancia especificada, permitiendo que quede cubierta por una nueva capa de líquido, para poder continuar el proceso en que el haz de láser dibuja una nueva capa encima de la anterior. Cuando todas las capas están completas, el prototipo está creado en un 95%. Esto es,

89 necesita un postcurado en un horno bajo luz ultravioleta para que esté completamente solidificado. SLS: Selective Laser Sintering En la Sinterización Selectiva por Láser se funden entre sí partículas en polvo mediante la aportación de calor de un láser de CO2 de potencia media. La aplicación selectiva de láser sobre la capa de polvo funciona, como en la esterolitografía, mediante la acción de dos espejos galvanométricos. La aportación de nuevas capas de polvo se efectúa mediante un mecanismo de pistones y rodillo de extensión. En principio cualquier material que presente características termoplásticas podría trabajarse con esta tecnología: policarbonato, PVC, ABS, Nylon, etc. Strato Conception Microfresado de capas de materiales mecanizables. Técnicas de Fabricación por Capas (Layer Manufacturing Technologies) Estas técnicas de fabricación parten del modelo matemático en 3D de un objeto generado en un CAD. La definición del objeto se obtiene por aproximación poliédrica de su superficie, con una determinada tolerancia. Esta malla de triángulos constituye el fichero STL. Realizaciones físicas: Maqueta Realización física, a escala natural o escala reducida, de las formas, volúmenes, aspecto (color textura) y eventualmente, composición de partes y movimientos de un producto. Prototipo Realización física de un producto o de algunos de sus componentes destinado a ensayar

90 su funcionalidad y/o su durabilidad. Preserie Realización de las primeras unidades de un nuevo producto destinadas a comprobar la correcta y fácil conformación de sus piezas y componentes, así como su mutabilidad y puesta a punto. Representaciones virtuales: Modelos CAD Representaciones virtuales que tienen por finalidad la definición y la visualización de los objetos. Esta definición se puede realizar en modelos 2D o 3D. Modelos CAE Representaciones virtuales que tienen por finalidad la simulación del comportamiento de un determinado aspecto de un componente, subconjunto o el producto entero. También son herramientas para la optimización del producto des del punto de vista del componente. Modelos CAM Representaciones virtuales que tienen por finalidad la simulación de determinados aspectos de la fabricación del producto (mecanización de piezas, secuencias de montaje). También constituyen herramientas para la optimización de estas operaciones.

91 SLS y SLA: que son y en qué se distinguen SLA se refiere a la tecnología también conocida como Estereolitografía, proceso en el cual se convierte, con un láser, un foto-polímero liquido en plástico sólido, capa por capa. Cada capa es diferente y un modelo 3D se produce sobre una placa perforada en el baño de foto-polímero. Esta tecnología apareció en la década de los 80 y se la debemos al gigante fabricante de las conocidas Cube y Cubex, entre otras. Hoy día el SLA permite imprimir en una gama de materiales bastante amplia, con buenas propiedades mecánicas. Muchas empresas lo utilizan para fabricar los moldes de silicona y hacer coladas al vacío de poliuretano.

92 piezas fabricadas en resina con SLA Por otro lado, tenemos el SLS, o Sinterización selectiva por láser, que fue comercialmente desarrollada también a mediados de los años 80. Al igual que el SLA, este proceso utiliza la impresión por capas, aunque en vez de un laser que solidifica un líquido, esta tecnología utiliza un laser, de mayor potencia, que sinteriza polvo de plástico. El material utilizado es la Poliamida/Nylon, aunque también se usa Poliamida con carga de fibra de vidrio. Tradicionalmente las piezas fabricadas con SLS ofrecen mayor resistencia que las que se producen en SLA aunque esta diferencia se reduce conforme se va perfeccionando la tecnología y sobre todo, los materiales. Cada una de estas tecnologías conlleva sus beneficios y sus inconvenientes. Por ejemplo, uno de los principales inconvenientes del SLS es el desperdicio de material, próximo la

93 30%, mientras que con el SLA apenas existe desperdicio. En favor del SLS, para equilibrar la balanza, está el rango de materiales, que es superior, y que darían para un artículo aparte. En resumen, las diferencias entre ambas tecnologías son básicamente las siguientes: El material procesado, ya que SLS usa polvo de PA mientras que la tecnología SLA utiliza resina fotosensible. Las propiedades del objeto impreso: sin duda, el SLS imprime objetos resistentes a altas temperaturas y con mayor resistencia a los impactos. El SLA no resiste bien las altas temperaturas, llegando a deformarse por encima de 60 grados centígrados, y es menos resistente a los impactos. En cuanto al postprocesado, gana el SLA: los objetos obtenidos requieren menos tratamientos que el SLA, que por su forma de fabricación y material usado ofrece un producto casi listo, y que requiere poco tratamiento.

94 Pieza fabricada en polvo SLS A la hora de valorar cual de las dos tecnologías es mejor, cosa que mucha gente nos pregunta, seguramente la respuesta sea: depende de para que lo quieras. Las necesidades de unos son distintas a las de otros. Está claro que quien necesite un producto resistente tendrá que enfocarse en las impresoras 3D SLS, y soportar los inconvenientes del post-procesamiento que requiere. Sin embargo, quienes solo quieran obtener un modelo o prototipo de forma rápida y no tenga ganas de complicarse la vida terminando a mano el producto, podrá centrarse en las impresoras 3D de SLA. Fuente:

95 SLS y SLA: que son y en qué se distinguen - Impresoras3d.com Página 1 de 2 18/05/2015 SLA se refiere a la tecnología también conocida como Estereolitografía, proceso en el cual se convierte, con un láser, un foto-polímero liquido en plástico sólido, capa por capa. Cada capa es diferente y un modelo 3D se produce sobre una placa perforada en el baño de foto-polímero. Esta tecnología apareció en la década de los 80 y se la debemos al gigante fabricante de las conocidas Cube y Cubex, entre otras. Hoy día el SLA permite imprimir en una gama de materiales bastante amplia, con buenas propiedades mecánicas. Muchas empresas lo utilizan para fabricar los moldes de silicona y hacer coladas al vacío de poliuretano. piezas fabricadas en resina con SLA Por otro lado, tenemos el SLS, o Sinterización selectiva por láser, que fue comercialmente desarrollada también a mediados de los años 80. Al igual que el SLA, este proceso utiliza la impresión por capas, aunque en vez de un laser que solidifica un líquido, esta tecnología utiliza un laser, de mayor potencia, que sinteriza polvo de plástico. El material utilizado es la Poliamida/Nylon, aunque también se usa Poliamida con carga de fibra de vidrio. Tradicionalmente las piezas fabricadas con SLS ofrecen mayor resistencia que las que se producen en SLA aunque esta diferencia se reduce conforme se va perfeccionando la tecnología y sobre todo, los materiales. Cada una de estas tecnologías conlleva sus beneficios y sus inconvenientes. Por ejemplo, uno de los principales inconvenientes del SLS es el desperdicio de material, próximo la 30%, mientras que con el SLA apenas existe desperdicio. En favor del SLS, para equilibrar la balanza, está el rango de materiales, que es superior, y que darían para un artículo a parte. En resumen, las diferencias entre ambas tecnologías son básicamente las siguientes: El material procesado, ya que SLS usa polvo de PA mientras que la tecnología SLA utiliza resina fotosensible. Las propiedades del objeto impreso: sinduda, el SLS imprime objetos resistentes a altas temperaturas y con mayor resistencia a los impactos. El SLA no resiste bien las altas temperaturas, llegando a deformarse por encima de 60 grados centígrados, y es menos resistente a los impactos.

96 SLS y SLA: que son y en qué se distinguen - Impresoras3d.com Página 2 de 2 18/05/2015 En cuanto al postprocesado, gana el SLA: los objetos obtenidos requieren menos tratamientos que el SLA, que por su forma de fabricación y material usado ofrece un producto casi listo, y que requiere poco tratamiento. Pieza fabricada en polvo SLS A la hora de valorar cual de las dos tecnologías es mejor, cosa que mucha gente nos pregunta, seguramente la respuesta sea: depende de para que lo quieras. Las necesidades de unos son distintas a las de otros. Está claro que quien necesite un producto resistente tendrá que enfocarse en las impresoras 3D SLS, y soportar los inconvenientes del post-procesamiento que requiere. Sin embargo, quienes solo quieran obtener un modelo o prototipo de forma rápida y no tenga ganas de complicarse la vida terminando a mano el producto, podrá centrarse en las impresoras 3D de SLA. Existen otras diferencias, y posiblemente otros factores dignos de mención, pero no vamos a hacer nosotros todo el trabajo, así que os invitamos a que participeis con vuestros comentarios, que como siempre, serán bienvenidos.