Thursday, May 21, 2015

Prototipado rápido. Fabricación Aditiva versus Sustractiva

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En estos últimos años se ha puesto muy de moda el prototipado rápido basado en impresoras 3D DIY económicas con plásticos termofusibles, pero el tema es más serio de lo que parece.


Comencemos explicando que el proceso debiera iniciarse con el diseño e ingeniería del producto. Este proceso va más allá de lo que es hacer un simple diseño espacial CAD. Este proceso analiza la necesidad mecánica a cubrir, los métodos de fabricación que están a nuestra disposición y establece la pieza y el método de fabricación que más se adecúan a resolver nuestra necesidad. Una vez diseñada la pieza con estos requisitos, se procesa con un programa CAM para obtener unos ficheros de fabricación, generalmente en formato Gcode. Un programa simulador de mecanizado puede mostrarnos la pieza que finalmente se fabricará en función de ese fichero Gcode. Un proceso iterativo "CAD -> CAM -> Simulación" nos permitirá dejar la pieza lista para su fabricación sin sorpresas. Pero ¿de qué tecnología podemos disponer y por qué es tan importante tenerla en cuenta a la hora de diseñar nuestra pieza?

Analizando un poco las tecnologías fundamentales de manufactura mecánica, podemos resaltar dos perfectamente aplicables al prototipado rápido e incluso a las producciones de pequeñas series: Las tecnologías sustractivas y las aditivas.

Fabricación Sustractiva

Utiliza métodos tradicionales de arranque de viruta y abrasivos, es decir, aquellos en los que en base a un bloque de material, se elimina parte de este para obtener el objeto deseado. Ej. Fresadora, torno, taladro, sierra,…

La fabricación sustractiva basada en control numérico (CNC) se encuentra en un estado muy maduro. Existen Fresadoras CNC de tres ejes desde 1.000€ hasta auténticos centros de mecanizado mixtos de más de 1 millón de euros (ej DMG-MORI).


La gran ventaja que tiene la mecanización CNC es su precisión y repetitividad. Se pueden fabricar miniseries y series con una exactitud sorprendente y superficies de gran calidad, que en muchos casos no requieren ni siquiera un tratamiento posterior.

Podemos disponer de nuestra pequeña fresadora de 3 ejes +torno CNC de precio contenido para disponer en cualquier momento de la capacidad de fabricar una pieza sin esperas, pero es importante considerar que los equipos de fabricación sustractiva son por lo general muy ruidosos (arrancan material por fuerza bruta) y generan mucha viruta y polvo grueso, por lo que se requiere un lugar adecuado para ello.

La otra opción es solicitar a una empresa de mecanizado que nos fabrique las piezas basadas en nuestros diseños CAD. Esto suele tener un coste de arranque de máquina, que consiste en la preparación y programación de la máquina, la preparación de los "utilitos" de sujeción de las piezas a mecanizar y las primeras pruebas de conformidad. Además de este coste de arranque de máquina está el coste unitario. En definitiva, es preferible fabricar varias unidades en una tirada, ya que el coste unitario final será inferior que el de solicitar una pieza única.

Además, una ventaja obvia de encargar la fabricación de la pieza es que esta se deja en manos de profesionales con máquinas de alta calidad, por lo que los resultados serán posiblemente mejores.

El siguiente vídeo muestra lo que puede hacer una máquina sustractiva de última generación:



Fabricación Aditiva

Utiliza tecnologías para crear la pieza en base a elementos que se añaden por capas, como es el caso de las impresoras 3D.


Las ventaja de la fabricación por capas es que se pueden hacer estructuras con interiores aligerados, mediante la fabricación de estructuras en el interior (por ejemplo de colmena de abeja), que manteniendo sus propiedades estructurales, puede llegar a reducir el peso de una pieza en un 40%. Adicionalmente se puede incorporar virtualmente cualquier estructura interior con cualquier forma (conductos de aireación, contenedores,…) y realizar formas que serían imposibles de fabricar con cualquier otra tecnología existente en la actualidad.


Las impresoras 3D de plásticos termofusibles son las más conocidas por estar de moda dentro del ámbito del prototipado de bajo coste. Hablamos de impresoras con precios a partir de 1.000€ e incluso menos, que son suficientes para prototipos iniciales, no siempre utilizables en producción. Pero hay otro mundo de máquinas aditivas profesionales capaces de fabricar piezas muy complejas en metales, cerámica, plásticos, fibras, etc. Con precios que pueden llegar al millón de euros. Por lo general solo empresas enfocadas en la manufactura por encargo, como Prodintec, Aitiip o Comher entre otras  tienen estos modelos de máquinas, por lo que están a nuestro alcance a la hora de contratar trabajos. Utilizan técnicas como fusión selectiva por láser (SLM), Sinterizado Láser (SLS/DMLS), Estereolitografía (SLA), etc. Para más información sobre este tipo de máquinas ver Este Enlace

En definitiva se trata de una tecnología muy innovadora, que no consigue aún la repetitividad y precisión extrema requerida para certificaciones muy estrictas como las que aplican a fuselaje y estructura de aviones comerciales (aunque si a otras partes de los mismos), pero que resulta sobradamente válida para el entorno industrial, permitiendo personalizaciones increíbles y tiempos de fabricación sorprendentes.

Como en todos los casos, existen equipos de manufactura económicos y equipos caros, con prestaciones muy diferentes. Si nos interesa disponer de nuestras propias capacidades de fabricación mecánica a un coste contenido, podemos adquirir básicamente una impresora 3D de plástico termofusible y una fresadora CNC de 3 ejes + torno por menos de 3.000€ en total, que nos permitirá hacer prototipos rápidos en materiales desde plásticos termofusibles tipo PLA, ABS en el caso de la impresora 3D, a materiales como maderas, plásticos, aluminio o fibras de vidrio y carbono para la fresadora/torno CNC, permitiendo obtener piezas en el mismo día. Estos métodos además permitirían no solo fabricar piezas, sino moldes para producir estructuras con otros materiales, como siliconas y materiales compuestos entre otros. Para todo lo demás tenemos afortunadamente un montón de empresas y centros tecnológicos que estarán encantados de hacer trabajos profesionales por nosotros.