Consideraciones sobre la fabricación para prototipos de plástico

La expresión «volver a la mesa de dibujo» es más que un tópico. Planificar y fabricar varias iteraciones de cualquier producto es la forma más eficaz de reducir los costes totales del proyecto. Y esto no cambia al diseñar una pieza de plástico. También ayuda a evitar riesgos a largo plazo y ofrece el diseño de piezas más optimizado posible. Y por muy experto que sea el ingeniero o por muy potente que sea el software de diseño que utilice, eso significa crear prototipos.

Por ejemplo, los fabricantes de dispositivos médicos deben evaluar la ergonomía y funcionalidad de un instrumento quirúrgico antes de ofrecérselo a los médicos. Los diseñadores de drones comerciales pueden realizar docenas de vuelos de prueba en túneles de viento para determinar la aeronavegabilidad de sus naves, los constructores de robots quieren ver la eficacia con la que su último diseño de androide realiza las tareas asignadas y los fabricantes de automóviles inteligentes realizan numerosas comprobaciones de forma, ajuste y funcionamiento en innumerables componentes con cada nuevo modelo. Para cada una de estas actividades se necesita un prototipo (o, lo que es más probable, varios prototipos).

Esto suele ser así en el caso de las piezas de plástico, donde la demanda del diseño ganador se dispara y requiere una inversión posterior en herramientas de producción de gran volumen, es decir, moldes de inyección de plástico. ¿Qué mejor forma de evitar un costoso error de diseño que crear un prototipo hasta perfeccionarlo? Por otro lado, los fabricantes de todos los sectores suelen evaluar sus nuevas ideas en metal imprimiendo primero en 3D y luego mecanizando o moldeando versiones en plástico. Una vez más, se trata de llegar a la meta de la manera más eficaz.

Dentro del proceso de desarrollo de productos, los prototipos de plástico tienen diferentes casos de uso:p>

• Prototipo funcional: esta es probablemente una de las primeras piezas que se fabrican durante el ciclo de un producto. Su objetivo es ofrecer una representación visual de la pieza o el producto. Aspectos como la resistencia del material y la calidad del acabado de superficie son menos importantes en esta fase. Las tecnologías de impresión 3D como la estereolitografía y el modelado por deposición fundida son métodos de fabricación típicos para un modelo conceptual.
• Prototipo funcional: un prototipo funcional permite al equipo de diseño comprobar la forma y el ajuste de una pieza. Durante esta fase, tener una representación precisa de las propiedades del material de la pieza final puede ser especialmente valioso, por lo que a menudo se utilizan tecnologías como el mecanizado CNC o tecnologías de impresión 3D como el sinterizado selectivo por láser o Multi Jet Fusion.

Cuáles son las opciones de fabricación para el prototipado de plásticos

Afortunadamente, existen varias opciones disponibles para el prototipado de piezas de plástico. Cada una tiene sus propias ventajas (y limitaciones) que pueden determinar cuál es la más adecuada para tu aplicación.

• Impresión 3D: probablemente puede ser el método más rentable para un prototipo de plástico. La impresión 3D también ofrece plazos de entrega rápidos y menos restricciones de diseño.
• Mecanizado CNC: las piezas se pueden fabricar igual de rápido que con la impresión 3D, pero el mecanizado también ofrece las mismas opciones de materiales que probablemente se utilizarán en una pieza final de producción. La desventaja del mecanizado CNC en comparación con la impresión 3D es que hay menos libertad de diseño y, en ocasiones, el coste es mayor.

El tamaño de la pieza, la calidad del acabado de superficie y los requisitos de tamaño/resolución de las características también deben tenerse en cuenta a la hora de elegir un servicio para la creación de prototipos.

Sea cual sea la tecnología de fabricación que elijas para un prototipo de plástico, es fundamental asegurarse de que la pieza se pueda fabricar con el método de producción previsto. Dicho de otra forma, no te quedes solo con la impresión de prototipos en 3D para que luego, cuando aumenten las cantidades, te des cuenta de que las piezas no pueden moldearse por inyección.

Las consideraciones clave te ayudarán a determinar qué método de fabricación es el mejor para tu proceso de prototipado.

Impresión 3D para el prototipado de plásticos

Empecemos el debate con una breve descripción de la tecnología que literalmente lanzó el sector del prototipado rápido hace más de tres décadas: la impresión 3D. En aquella época, la única opción era la estereolitografía (SLA). Hoy en día, sin embargo, los fabricantes pueden elegir entre una amplia gama de tecnologías, como el sinterizado selectivo por láser (SLS) o los procesos de rociado a presión como PolyJet y Multi Jet Fusion (MJF).

Hemos publicado varias sugerencias de diseño en las que se tratan estas tecnologías, así que léelas para conocer los detalles técnicos que hay detrás de la precisión, la selección de materias primas y las posibilidades de acabado de superficie. Baste decir que todas son excelentes para fabricar prototipos; varias son también lo bastante rápidas y sus materias primas lo bastante robustas para soportar la fabricación de piezas finales de tiradas cortas. A continuación se indican algunas ventajas y desafíos adicionales de la impresión 3D.

Ventajas de la impresión 3D

• Más rentable: dado que la impresión 3D no requiere herramientas de corte ni de sujeción de la pieza, el coste de las piezas suele ser inferior al de otras alternativas. Se trata únicamente de la materia prima, el tiempo de mecanizado y el postprocesamiento secundario que sea necesario (más información al respecto en breve).
• Plazos de entrega e iteraciones rápidos: del mismo modo, la eliminación de herramientas y de las «configuraciones» tradicionales, como ocurre con el moldeo por inyección, se traduce en plazos de entrega rápidos. Además, muchas impresoras tienen volúmenes de fabricación suficientes para que los diseñadores puedan producir varias iteraciones en la misma fabricación.
• Menos restricciones de diseño: la comunidad de impresión 3D habla largo y tendido sobre su «libertad de diseño ilimitada». Aunque suene algo exagerado, el hecho es que muchos fabricantes la han utilizado para fabricar ensamblajes complejos en una sola impresión, reduciendo el número de piezas y simplificando la cadena de suministro. Como ya hemos dicho antes, es fundamental asegurarse de que el diseño pueda fabricarse en cantidades de producción mediante moldeo por inyección si ese es el objetivo final.

Desafíos de la impresión 3D

• Propiedades mecánicas: las resinas y polvos utilizados en las impresoras 3D son materiales «similares». Se aproximan (y en algunos casos superan) a sus homólogos de moldeado y mecanizado, y aunque muchos de ellos son adecuados para aplicaciones de uso final, no son sustitutos directos.
• Acabado de superficie: debido al proceso de fabricación capa por capa, prácticamente todas las piezas impresas en 3D sufren algún nivel de «escalonado». La eliminación de estas imperfecciones mediante pulido con vapor o abrasivos es una opción popular, pero añade tiempo y costes al proyecto.
• Opciones de color limitadas: por regla general, la impresión 3D proporciona piezas blancas, negras, grises o translúcidas. No tenemos ningún problema en teñirlas o pintarlas tras el acabado, pero se trata de un paso adicional (aunque habitual) del postprocesamiento.

Mecanizado CNC para el prototipado de plásticos

Dado que Protolabs siempre se ha especializado en entregas rápidas, hemos desarrollado conjuntos de herramientas estandarizados que nos permiten entregar piezas mecanizadas personalizadas en uno o dos días. El plazo de entrega es similar al de la impresión 3D y el precio no es significativamente superior (dependiendo de la geometría de la pieza, la cantidad y otros factores). Dicho esto, existen algunas diferencias entre las piezas mecanizadas y las fabricadas mediante impresión 3D:

La principal ventaja del mecanizado CNC de un prototipo de plástico es que puedes utilizar materiales de producción de uso final.

Ventajas del mecanizado CNC

• Materiales de uso final: a veces es importante crear prototipos utilizando los materiales de producción reales. Puede que las piezas se sometan a pruebas funcionales y de validación o que el cliente quiera ver y tocar prototipos lo más parecidos posible al diseño final.
• Cantidades de producción: por lo general, la impresión 3D resulta menos rentable a medida que aumentan las cantidades. Aunque este statu quo de décadas de antigüedad está empezando a cambiar con la introducción de nuevas tecnologías, el mecanizado es casi siempre el ganador en términos de velocidad de fabricación a partir de diez piezas, donde los costes de configuración se amortizan más fácilmente.
• Plazos de entrega e iteraciones rápidos: el mecanizado CNC es igual de rápido que la impresión 3D y, en algunos casos, incluso más. Las piezas se pueden entregar en tan solo un día laborable.

Desafíos del mecanizado CNC

• Geometría de la pieza: como hemos dicho antes, la impresión 3D es la reina de la complejidad. Los talleres de mecanizado se enfrentan a cajeras profundas a las que no llegan las herramientas de corte, paredes finas que pueden crear marcas de vibración, ratios extremas entre longitud y diámetro al hacer agujeros y otras características de las piezas que no suponen un gran problema para una impresora 3D.
• Ensamblajes de varias piezas: las piezas mecanizadas suelen formar parte de un ensamblaje y unir estos componentes suele significar atornillarlos o soldarlos, lo que añade costes. Si lo que normalmente sería un ensamblaje se puede imprimir en 3D como una sola pieza, todo el proyecto se beneficia. Pero, de nuevo, tienes que asegurarte de que puedes fabricar de manera económica la pieza impresa en 3D a medida que aumentan las cantidades.

El moldeo por inyección de fabricación rápida, el mecanizado CNC y la impresión 3D ofrecen ventajas únicas durante la fase de prototipado.

Moldeo por inyección para el prototipado de plásticos

Los términos «moldeo por inyección de plástico» y «prototipado» se han excluido mutuamente durante mucho tiempo. Esto se debe a que las herramientas de fabricación para grandes tiradas necesarias para fabricar la mayor parte de las piezas de plástico son caras y requieren meses de desarrollo. En Protolabs hemos cambiado este paradigma con las herramientas de aluminio de fabricación rápida, que permiten moldear cientos de piezas prototipo y suelen entregarse en una semana más o menos.

No es necesario hacer aquí una larga lista de pros y contras, ya que este árbol de decisiones solo tiene una o dos ramas. Si necesitas cien o más prototipos moldeados por inyección para pruebas funcionales, las herramientas de fabricación rápida proporcionan a los clientes piezas fabricadas con material real, muy rápido y con tolerancias y acabados de superficie casi idénticos a los de las piezas fabricadas con herramientas de producción. Los moldes de fabricación rápida también pueden servir como herramienta puente hasta que el molde de producción esté terminado o para tiradas piloto que prueben el diseño de la pieza moldeada.

La advertencia es que lleva tiempo. Tiempo para diseñar el molde, tiempo para mecanizarlo y tiempo para las pruebas y la aprobación final. Sigue siendo mucho más rápido y mucho menos costoso que la alternativa de «herramienta dura» que acabamos de describir, pero podría ser prohibitivamente costoso en situaciones en las que la impresión 3D o el mecanizado resolverían el problema inmediato. Como se ha sugerido antes, hay mucho en lo que pensar, así que llámanos o carga el diseño de tu pieza en nuestra plataforma de elaboración de presupuestos digital para evaluar las opciones y recibir de forma automatizada las conclusiones del análisis de fabricabilidad del diseño (DFM). Disfruta con el prototipado de plásticos.