Prototipo de impresión 3D: creación rápida de prototipos con guía de impresión 3D

Para la mayoría de los equipos, la fuerza del uso de la impresión 3D para la creación de prototipos surge en áreas como la forma, el ajuste, la secuencia de ensamblaje, la sensación ergonómica, el enrutamiento de cables o las primeras pruebas funcionales. Esa misma técnica se queda corta en las áreas de propiedades finales del material, datos de referencia completos, acabado superficial cosmético, ciclos térmicos o carga continua en uso de producción.

Este documento considera las impresoras 3D como uno de varios enfoques de fabricación en un plan de prototipo más amplio. Compara métodos comunes de impresión 3D, plásticos, opciones de dibujo CAD, tolerancias, costos de prueba y el punto para el que está listo un prototipo Serviciu de mecanizare CNC, herramientas blandas o moldeo por inyección.

Para los equipos de desarrollo de productos, la creación de prototipos con impresión 3D funciona mejor cuando cada compilación responde a una pregunta sobre el proceso de fabricación con nombre. La impresión 3D para la creación rápida de prototipos puede comparar FDM, SLA, SLS, MJF y otras tecnologías de impresión 3D antes de que los métodos tradicionales como el mecanizado CNC o el moldeo por inyección tomen el control. Si el modelo proviene de SolidWorks u otro sistema CAD, exporte tanto el archivo de impresión como el archivo de ingeniería cuando las dimensiones importen.

Qué prototipo de impresión 3D puede y no puede validar

La fabricación aditiva, expresada de forma sencilla, produce un artículo tangible a partir de un diseño CAD mediante capas de plástico o material metálico. El NIST describe la fabricación aditiva como la construcción de productos tridimensionales a partir de diseños digitales, es por eso que una impresora puede acortar la distancia entre CAD y un elemento de prueba.

Sin embargo, un “prototipo” impreso aún no es un prototipo de producto. Parámetros como la dirección de las capas de construcción, la elección del grado, la orientación, el proceso de eliminación del soporte, el curado, la eliminación del polvo, la densidad, la calidad de la superficie y la técnica de medición afectan el objeto físico entregado.

Comparación de impresión 3D FDM, SLA, SLS, MJF, PolyJet y Metal

TWI define la creación rápida de prototipos como la rápida producción de un artículo físico, modelo o ensamblaje a partir de CAD 3D, principalmente a través de un tipo de fabricación aditiva. El éxito depende de lo que se requiera demostrar ese prototipo.

FDM generalmente demuestra la forma y el aspecto de tamaño de la pieza a bajo costo. SLA y otras impresoras de resina demuestran detalles finos y efectos visuales. SLS y MJF demuestran un aspecto funcional listo para nailon con menos marcas superficiales en los puntos de soporte. PolyJet demuestra capacidad de presentación multimaterial y multicolor. La producción de metal 3D se adapta más a formas metálicas complejas. Elijelo después de considerar si necesitará un segundo paso de procesamiento de inspección o mecanizado.

Aplicaciones de impresión 3D, materiales y comprobaciones de diseño de productos

Las aplicaciones comunes de impresión 3D incluyen modelos conceptuales, prototipos físicos, prototipos de alta fidelidad, accesorios, piezas funcionales y piezas de producción de lotes pequeños. La creación rápida de prototipos con impresión 3D ayuda a los equipos de desarrollo de productos a crear muestras personalizadas sin herramientas, revisar las decisiones de diseño y llevar los prototipos rápidamente a una reunión o prueba de laboratorio. En comparación con la fabricación tradicional, la principal ganancia son los plazos de entrega más cortos durante el aprendizaje; La fabricación tradicional todavía importa cuando el material final, la tolerancia y la repetibilidad tienen prioridad.

La elección del material necesita la misma disciplina. Los materiales de impresión 3D van desde filamentos termoplásticos hasta resina, nailon, policarbonato, polímeros flexibles y polvo metálico, y cada uno cambia el acabado de la superficie, la resistencia química, la resistencia a la temperatura y las propiedades mecánicas. Un modelo físico que sólo se ve y se siente bien puede ser suficiente para los diseñadores industriales, mientras que las piezas de uso final necesitan pruebas más sólidas del comportamiento del material.

El costo por pieza debe revisarse además del riesgo de costo de la pieza. Una cotización instantánea puede ser útil para la elaboración temprana de presupuestos, pero la rentabilidad depende de si los equipos necesitan imprimir piezas una vez, iterar a través de múltiples revisiones o unirse a una producción de bajo volumen. Para flujos de trabajo de diseño asistido por computadora, mantenga juntos el modelo digital, las notas de dibujo y el archivo de impresión; esto facilita que los equipos prueben el ajuste, el funcionamiento y la inspección a partir de la misma revisión en lugar de diferentes materiales o revisiones no coincidentes.

Cuando su prototipo incluya orificios ajustados, asientos de muñón, sellos o interfaces deslizantes repetibles, planifique el mecanizado de material, insertos, escariado, roscado o secundario fresado CNC después de imprimir. Cuando la forma tiene forma de eje o de manguito, Torneado CNC puede responder la pregunta del prototipo más rápido que imprimir.

Materiales prototipo: opciones de plástico, resina, nailon y metal

Investigación del NIST sobre la práctica del diseño sugiere que las selecciones de fabricación aditiva deben reflejar la capacidad del proceso, las propiedades del material, la calidad de la superficie, el tamaño y los requisitos de tolerancia. Es por eso que la selección debe ser el objetivo de la prueba primero y el material después.

La selección del material también debe guiarse por limitaciones de abastecimiento. Es posible que los conceptos físicos aproximados solo necesiten un plástico impreso simple. Los diseños cercanos al calor, solvente, ensamblaje repetido o carga pueden requerir una ruta de mecanizado secundaria acrílico mecanizado, ABS, nailon, PEEK, aluminio, acero inoxidable u otro metal después del primer prototipo de plástico.

Planificación de costos, plazos de entrega y cantidades para prototipos impresos en 3D

El costo del prototipo rara vez depende de la elección del material, sino del volumen de construcción, el uso de la máquina, el acabado requerido, la cantidad requerida, las presiones de tiempo y la capacidad de un primer archivo CAD para ser correcto.

Lecreator enumera los puntos de partida en su página de servicio de impresión 3D para impresión FDM, SLA, SLS, MJF, metal y gran formato, pero esos números deben leerse como puntos de partida de cotización, no como precios estándar. Los gabinetes delgados pueden tener el mismo cuadro delimitador que los soportes gruesos, pero requieren el doble de tiempo de máquina.

Si necesita un prototipo esta semana, vale la pena aclarar el alcance antes de pedirle una cotización a Lecreator. Envíe el archivo CAD, un dibujo si necesita tolerancias estrictas, la cantidad de unidades, el material preferido, qué uso final tendrá, cualquier requisito de acabado y una nota que diga exactamente qué no se puede mover en el diseño.

Reglas de CAD, preparación de archivos y tolerancia antes de cargar

Muchos trabajos fallidos de prototipos de impresión 3D se detienen antes de construir. Tal vez el modelo no sea múltiple, tal vez el archivo no tenga unidades, tal vez las características finas estén por debajo de los límites del proceso, o tal vez el equipo simplemente envíe un STL en lugar de un STEP para la revisión del diseño.

La guía de Lecreator para formatos de archivos separa STL, STEP, 3MF y OBJ por tipo de geometría, datos de color, datos unitarios, geometría editable y uso común en la industria. Eso es importante porque un archivo de malla puede ser imprimible pero no útil para la discusión sobre tolerancia.

Registro de evidencia del proyecto prototipo: números para enviar con el archivo CAD

Los valores a continuación no son promesas que cada proceso de impresión 3D pueda cumplir. Son los campos de referencia del proyecto que un equipo de ingeniería debe reemplazar con sus propios datos de dibujo antes de revisar la cotización.

Si necesita precisión, pregunte si el proveedor recomienda imprimir cerca de la red y terminar algunas funciones mediante mecanizado. La guía de Lecreator señala que algunas dimensiones críticas pueden necesitar un mecanizado posterior, lo cual es un mejor plan que esperar que cada superficie impresa se comporte como un dato mecanizado.

Cuándo pasar de la impresión 3D al mecanizado CNC o al moldeo por inyección

Una vez que un diseño es estable, no se debe utilizar un prototipo de impresión 3D en el futuro. Los prototipos posteriores probablemente necesitarán material final, acabado superficial mejorado, inspección y medición más estrictas o una consistencia tan buena como la de las piezas moldeadas por inyección.

Cuando un prototipo de impresión 3D ya no tenga sentido, avance hacia mecanizado CNC si la próxima iteración necesitará datos precisos, metales roscados, caras de sellado lisas, orificios de soporte, respuesta predecible de aleación o resina, o un informe de inspección vinculado al dibujo. Avance hacia el moldeo por inyección o herramientas de puente si su objetivo implica textura moldeada, bisagras vivas, líneas de separación, marcas de eyector, vestigio de puerta, contracción o costo de pieza en volumen.

De hecho, la chapa debería ser parte de su plan si resulta que la pieza es realmente un gabinete, soporte, chasis o panel. En ese escenario, un modelo impreso puede verificar el ajuste del espacio, pero probablemente pertenezca el próximo prototipo de ingeniería fabricación de chapa metálica.

Mapa de preparación para el prototipo a la producción de 6 puertas

Cualesquiera que sean las decisiones basadas en la forma y el ajuste, el mapa de preparación del prototipo a la producción de 6 puertas proporciona una guía sencilla para decir si una pieza impresa debe permanecer como aditiva, pasar al mecanizado CNC o completar la progresión hacia las herramientas. Cada puerta permanece bajo el control simple del propietario y con una regla de sí/no pasar/fallar.

Utilice este mapa antes de solicitar un segundo o tercer prototipo. El uso del mapa mantiene rápidas múltiples iteraciones. Los proveedores tienen suficientes detalles para recomendar la ruta correcta en lugar de simplemente proporcionar el precio del proceso mencionado en la línea de asunto del correo electrónico.

Perspectivas de la industria: de los modelos conceptuales a la validación funcional

La creación de prototipos ya no se limita únicamente a modelos conceptuales fabricados de forma aditiva. Comité ASTM F42 sobre Tecnologías de Fabricación Aditiva se estableció en 2009 y cuenta con más de 743 miembros con ocho subcomités técnicos. Esto es importante, porque los equipos de prototipos ahora están recurriendo a piezas impresas para obtener evidencia de ingeniería más formal.

Continúa el trabajo sobre normas. America Makes y la hoja de ruta AMSC de ANSI se identificaron 141 brechas en la estandarización de la fabricación aditiva. De ellas, 54 son brechas de alta prioridad y 91 necesitan investigación y desarrollo adicionales previos a la estandarización antes de que se pueda considerar la estandarización. El mensaje del comprador es sencillo: sea explícito acerca de los puntos de prueba del diseño y tenga cuidado al aceptar un resultado impreso como datos universales.

Para el público objetivo de Lecreator, eso apunta a un camino híbrido práctico. Usar Servicio de impresión 3D por velocidad, forma y función temprana. Utilice mecanizado CNC cuando las dimensiones, los materiales o la inspección deban estar más cerca de la fabricación final. Utilice herramientas de moldeo o puente cuando el volumen, el comportamiento moldeado y la economía unitaria se conviertan en la cuestión principal.

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Preguntas frecuentes

¿puedes imprimir un prototipo en 3D?

Sí. Una impresora 3D puede producir un prototipo que siga visualmente el modelo CAD, generalmente a partir de datos STL, STEP, 3MF u OBJ. Antes de imprimir, el equipo debe definir el objetivo de la prueba: forma, ajuste, función, apariencia o planificación de producción. Sin ese objetivo, la pieza puede parecer exitosa al responder la pregunta de ingeniería incorrecta.

¿Cuánto cuesta imprimir un prototipo en 3D?

El precio depende del volumen, tamaño, acabado, procesamiento, material y tiempo de espera. Envíe el archivo CAD y el uso objetivo para obtener una estimación de costos relevante.

¿qué tecnología de impresión 3D es mejor para prototipos funcionales?

Para un prototipo funcional de plástico único o de bajo volumen, el SLS o MJF de nailon suele ser un punto de partida sensato. FDM puede funcionar para soportes y accesorios antiguos, mientras que SLA se adapta a muestras de apariencia detalladas. La impresión 3D en metal se adapta a formas metálicas complejas cuando los criterios de inspección, el posmecanizado y el posprocesamiento son parte del plan. Confirme la carga de prueba, la posición de construcción y el mecanizado posterior antes del uso final de producción de piezas portantes.

¿qué formato de archivo se necesita para la impresión 3D?

STL es el estándar abierto para la fidelidad de impresión en malla. STEP es un estándar de ingeniería capaz de transportar información de modelo sólido y al mismo tiempo proporcionar al revisor de ingeniería la información de precisión que necesita. 3MF es un formato de archivo con capacidad de fabricación aditiva que puede incluir datos de compilación y contexto de unidad de piezas.

¿cuándo debería pasar un prototipo de la impresión 3D al mecanizado CNC?

Continúe con el mecanizado CNC cuando la prueba del prototipo implique mediciones de circunferencia críticas o restrictivas, calidad de la superficie de sellado, comportamiento final de plásticos o metales duros, roscas productivas o inspección analítica. El modelo fabricado aditivamente aún puede equilibrar el equipo de diseño, pero es posible que sea necesario ayudar al siguiente lote mediante características mecanizadas. Esto es bastante normal para la colocación de orificios críticos, cojines de cojinete, roscas roscadas, rellanos deslizantes y circunstancias de sellado de terrenos sellados; A menudo, buscar unas pocas décimas de milímetro es la métrica de visualización crítica y evitar tanto la impresión fallida como la desaprobación del ingeniero.

¿puede la impresión 3D reemplazar el moldeo por inyección para una validación temprana?

Las adiciones de piezas impresas se pueden utilizar para evitar la creación inicial de herramientas; no pueden igualar la calidad moldeada, la contracción, la posición de la puerta o la tasa de producción porque cada pieza construida cuesta lo mismo.

¿Cómo deberían los equipos de ingeniería evitar problemas de tolerancia en los prototipos impresos?

Establezca la autorización de acoplamiento, muestre datos críticos, marque las características post-mecanizadas y proporcione el contexto de ensamblaje. Para ajustes rápidos, orificios pasantes, resaltes y funciones deslizantes, deje espacio para iteraciones porque las ubicaciones de los datos impresos pueden cambiar con la orientación, el material y el posprocesamiento.

Referencias

• NIST: Fabricación aditiva
• NIST: Reglas de diseño para la fabricación aditiva
• Hoja de ruta científica de medición del NIST para la fabricación aditiva basada en polímeros
• Comité ASTM F42 sobre Tecnologías de Fabricación Aditiva
• America hace una colaboración para la estandarización de la fabricación aditiva ANSI
• TWI: ¿Qué es la creación rápida de prototipos?