La creación rápida de prototipos es un grupo de técnicas que se utilizan para fabricar rápidamente un modelo a escala de una parte física o un ensamblaje utilizando datos tridimensionales de diseño asistido por computadora (CAD). La construcción de la pieza o ensamblaje generalmente se realiza mediante impresión 3D o tecnología de «fabricación de capas aditivas».

Los primeros métodos para la creación rápida de prototipos llegaron a estar disponibles a fines de la década de 1980 y se utilizaron para producir modelos y piezas prototipo. Hoy en día, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y se usan para fabricar piezas de calidad de producción en números relativamente pequeños, si se desea, sin los típicos aspectos económicos desfavorables de corto plazo. Esta economía ha alentado a las agencias de servicios en línea. Los estudios históricos de la tecnología de PR comienzan con discusiones sobre las técnicas de producción de simulacros utilizadas por los escultores del siglo XIX. Algunos escultores modernos utilizan la tecnología de la progenie para producir exposiciones. La capacidad de reproducir diseños de un conjunto de datos ha dado lugar a problemas de derechos, ya que ahora es posible interpolar datos volumétricos de imágenes unidimensionales.

Al igual que con los métodos sustractivos de CNC, el flujo de trabajo CAD-CAM de diseño asistido por computadora – fabricación asistida por computadora en el proceso tradicional de creación de prototipos rápida comienza con la creación de datos geométricos, ya sea como un sólido 3D utilizando una estación de trabajo CAD, o mediante cortes 2D. dispositivo de escaneo Para la creación rápida de prototipos, estos datos deben representar un modelo geométrico válido; a saber, uno cuyas superficies limítrofes encierran un volumen finito, no contienen agujeros que expongan el interior y no se plieguen sobre sí mismos. En otras palabras, el objeto debe tener un «interior». El modelo es válido si, para cada punto en el espacio 3D, la computadora puede determinar de manera única si ese punto se encuentra dentro, dentro o fuera de la superficie límite del modelo. Los postprocesadores CAD aproximarán las formas geométricas internas de los proveedores de aplicaciones (por ejemplo, B-splines) con una forma matemática simplificada, que a su vez se expresa en un formato de datos específico que es una característica común en la fabricación aditiva: STL (estereolitografía) un estándar de facto para transferir modelos geométricos sólidos a máquinas SFF. Para obtener las trayectorias de control de movimiento necesarias para impulsar el SFF real, el prototipado rápido, la impresión 3D o el mecanismo de fabricación aditivo, el modelo geométrico preparado se corta típicamente en capas, y las rodajas se escanean en líneas (produciendo un «dibujo 2D» utilizado para generar trayectoria como en la trayectoria de CNC), imitando al revés el proceso de construcción física capa a capa.

Visión de conjunto:
El prototipado rápido es un proceso utilizado para fabricar artículos de plástico, metal o cerámica.También conocido por su nombre en inglés como «tecnología aditiva», ya que su proceso de fabricación consiste en agregar material capa por capa. En algunos casos, con propiedades físicas similares a las que se producirían con los métodos convencionales, como el moldeo por inyección y la extrusión, o el moldeo por soplado, evitará que los moldes costosos hagan un prototipo que podría cambiar su forma. Inicialmente, el prototipado rápido solo se usaba para la fabricación de prototipos. Hoy en día se utiliza más como proceso de fabricación. Un ejemplo se encuentra en el sector dental, donde se utiliza para fabricar estructuras metálicas que luego se cubrirán con cerámica, creando coronas y puentes dentales.

Prototipos de diseño:
Sirven para evaluar aspectos estéticos y ergonomicos.

Prototipos geométricos:
Se utilizan para probar concordancia geométrica, forma y ensamblajes.

Prototipos funcionales:
Muestran las características y patrones de comportamiento en una prueba del producto final.

Prototipos técnicos:
Se utilizan para evaluar todas las funciones de la pieza final.

El concepto
El prototipado rápido integra tres conceptos esenciales: tiempo, costo y complejidad de las formas.

Tiempo: el objetivo de la creación rápida de prototipos es producir modelos rápidamente, con el objetivo de reducir el tiempo de desarrollo del producto.
Costo: la creación rápida de prototipos permite hacer prototipos sin la necesidad de herramientas costosas, al tiempo que garantiza el rendimiento del producto final. Por lo tanto, podemos explorar diferentes variantes del producto que se está desarrollando para conservar la solución más adecuada.
Complejidad de formas: las máquinas modernas de control numérico (fresado CNC, impresoras 3D, …) son capaces de producir formas extremadamente complejas (inclusión, cavidad …), que no pueden realizarse mediante procesos como el mecanizado, por ejemplo.

Áreas de aplicación
Los sistemas de producción 3D permiten que los autos eléctricos sean construidos y probados en un año. La creación rápida de prototipos también se aplica comúnmente en ingeniería de software para probar nuevos modelos de negocios y arquitecturas de aplicaciones.

Historia
En la década de 1970, Joseph Henry Condon y otros en Bell Labs desarrollaron el Sistema de Diseño de Circuitos de Unix (UCDS), automatizando la laboriosa y propensa a errores de convertir manualmente los dibujos para fabricar placas de circuitos con fines de investigación y desarrollo.

En la década de 1980, los responsables políticos y los gerentes industriales de los EE. UU. Se vieron obligados a tomar nota de que el dominio de Estados Unidos en el campo de la fabricación de máquinas-herramienta se evaporó, en lo que se denominó la crisis de la máquina-herramienta.Numerosos proyectos buscaron contrarrestar estas tendencias en el área tradicional de CNC CAM, que había comenzado en los Estados Unidos. Más tarde, cuando Rapid Prototyping Systems se mudó de los laboratorios para ser comercializados, se reconoció que los desarrollos ya eran internacionales y que las compañías de prototipado rápido de los EE. UU. No tendrían el lujo de dejar escapar una ventaja. La National Science Foundation fue un paraguas para la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), el Departamento de Energía de los Estados Unidos, el NIST del Departamento de Comercio de los Estados Unidos, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de la Defensa (DARPA) y la Oficina de Investigación naval coordinó estudios para informar a los planificadores estratégicos en sus deliberaciones. Uno de esos informes fue el Informe del Panel de Rapid Prototyping en Europa y Japón de 1997, en el que Joseph J. Beaman, fundador de DTM Corporation, ofrece una perspectiva histórica:

“Las raíces de la tecnología de creación rápida de prototipos se pueden remontar a las prácticas en topografía y fotoescultura. Dentro de TOPOGRAPHY, Blanther (1892) sugirió un método en capas para hacer un molde para los mapas topográficos de papel en relieve levantado. El proceso consistía en cortar las líneas de contorno en una serie de placas que luego se apilaban. Matsubara (1974) de Mitsubishi propuso un proceso topográfico con una resina de fotopolímero endurecible para formar capas delgadas apiladas para hacer un molde de fundición. PHOTOSCULPTURE fue una técnica del siglo XIX para crear réplicas tridimensionales exactas de objetos. François Willeme (1860) colocó 24 cámaras en una serie circular y fotografió simultáneamente un objeto. La silueta de cada fotografía se utilizó para tallar una réplica. Morioka (1935, 1944) desarrolló una escultura de fotos híbrida y un proceso topográfico utilizando luz estructurada para crear fotográficamente las líneas de contorno de un objeto. Las líneas podrían luego desarrollarse en hojas y cortarlas y apilarlas, o proyectarlas en material de archivo para tallar. El Proceso de Munz (1956) reprodujo una imagen tridimensional de un objeto exponiendo selectivamente, capa por capa, una foto emulsión en un pistón descendente. Después de la fijación, un cilindro transparente sólido contiene una imagen del objeto. ”
– Joseph J. Beaman

Las tecnologías denominadas Solid Freeform Fabrication son lo que hoy reconocemos como creación rápida de prototipos, impresión 3D o fabricación aditiva: Swainson (1977), Schwerzel (1984) trabajó en la polimerización de un polímero fotosensible en la intersección de dos rayos láser controlados por computadora. Ciraud (1972) consideró la deposición magnetostática o electrostática con haz de electrones, láser o plasma para el revestimiento de superficies sinterizadas. Todos fueron propuestos, pero no se sabe si las máquinas en funcionamiento fueron construidas. Hideo Kodama del Instituto Municipal de Investigación Industrial de Nagoya fue el primero en publicar una cuenta de un modelo sólido fabricado con un sistema de creación rápida de prototipos de fotopolímero (1981). Incluso en esa fecha tan temprana, se consideraba que la tecnología tenía un lugar en la práctica de fabricación. Una salida de baja resolución y baja resistencia tenía valor en la verificación de diseño, fabricación de moldes, plantillas de producción y otras áreas. Las salidas han avanzado constantemente hacia usos de mayor especificación.

Constantemente se buscan innovaciones para mejorar la velocidad y la capacidad de hacer frente a las aplicaciones de producción en masa. Un desarrollo espectacular que RP comparte con las áreas CNC relacionadas es el freeware open-sourcing de aplicaciones de alto nivel que constituyen una cadena de herramientas CAD-CAM completa. Esto ha creado una comunidad de fabricantes de dispositivos de baja resolución. Los aficionados incluso han hecho incursiones en diseños de dispositivos con efectos láser más exigentes.

Tecnicas
Aproximadamente desde principios de la década de 1980, las tecnologías de formación de objetos tridimensionales comenzaron a desarrollarse de manera intensiva no eliminando material (torneado, fresado, EDM) o cambiando la forma de la pieza (forja, estampación, prensado), sino incrementando gradualmente ( agregar) un material o cambiar el estado de fase de una sustancia en una región del espacio dada. Por el momento, se ha logrado un progreso significativo en la tecnología de formación capa por capa de objetos tridimensionales basados ​​en sus imágenes de computadora. Estas tecnologías son conocidas por varios términos, por ejemplo, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) o CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), pero son las más utilizadas:

Fabricación aditiva
La técnica de «creación rápida de prototipos» más accesible es la fabricación aditiva.

Ella entiende:

La estereolitografía; En un baño de plástico líquido lo polimeriza mediante un haz de luz (láser, UV, IR …) (hablamos de fotopolimerización (SLA).
Deposición de alambre fundido (FDM): deposición mecánica de material plástico en capas sucesivas. La máquina deposita un alambre de plástico a través de una boquilla. El proceso es mecánico.
La impresión de arena: como el modelo de deposición fundida, es un material de deposición mecánica por capa sucesiva, que permite la fabricación de moldes de arena (moldeado) para producir piezas de metal (buen material)
Capas sucesivas de Laser Direct Building: polvos metálicos fundidos inyectados coaxialmente a una potencia de rayo láser para lograr la deposición del metal en capas sucesivas.
La sinterización por láser, en un recipiente de plástico en polvo fino y la frita (Sinterización selectiva, fusión de los granos de este polvo plástico, abreviatura SLS).

Caso de prototipado rápido por deposición de alambre – FDM (modelado por deposición fundida)
Esta técnica consiste en fundir una resina (generalmente un ABS de tipo termoplástico) a través de una boquilla calentada a alta temperatura. Sale un filamento fundido (del orden de una décima de milímetro). Este cable se deposita en línea y se pega por fusión en lo que se ha presentado de antemano.

Estas máquinas están diseñadas tanto para la creación rápida de prototipos como para la producción digital directa, un mercado en desarrollo. El gran interés de la FDM es permitir crear piezas en buen material, con características mecánicas, térmicas y de estabilidad idénticas a las piezas termoplásticas inyectadas. Esta técnica también tiene una ventaja importante con respecto a la estructura de soporte necesaria para la producción de las piezas, ya que este soporte de construcción está hecho en la mayoría de los casos de un material distinto al material termoplástico que es soluble en sí mismo.

La densidad de las piezas también se puede ajustar porque esta técnica mediante la adición de material permite llenar solo parcialmente los volúmenes al crear una red en forma de panal de abeja, una ganancia apreciada por los tiempos de producción y la ligereza de las piezas fabricadas.

El proceso ha sido patentado por Stratasys. Esta patente expiró recientemente (2012), los nuevos jugadores se han embarcado en la fabricación de máquinas FDM, intentando seducir a los consumidores individuales, con máquinas como el «CUBEX» Cubify / 3D System, o el «REPLICATOR» de Makerbot / Stratasys. Estas máquinas se venden generalmente por menos de $ 3000.

Técnicas para obtener un prototipo que no sean técnicas de fabricación aditiva.
UTGV o mecanizado de muy alta velocidad con máquinas de control numérico multieje; La desventaja es el desperdicio de material. Puede mecanizar una pieza o su molde.
Fresado digital. Este es un método sustractivo.

Recursos informáticos
Están tomando un lugar cada vez mayor en la creación rápida de prototipos. Esos son:

la ingeniería inversa (sistemas de adquisición de formas asociadas con software de reconstrucción de superficies);
el diseño asistido por computadora (CAD), métodos de fabricación mediante la adición y eliminación de material;
post-tratamientos.

Posibles geometrías con estos prototipos.
En general puedes crear casi todo tipo de geometrías. Incluso muchas veces se pueden fabricar geometrías que otros procesos tradicionales no pueden fabricar. El hecho es que el resultado de los prototipos rápidos es lo que uno puede crear en un archivo CAD o de tercera dimensión. Se debe tener en cuenta que el prototipo que se crea en estos programas no siempre se puede producir a gran escala, ya que en el caso del prototipo rápido es solo una muestra del concepto que se creará y el siguiente paso es Puede tomar en la base de ese prototipo es la ingeniería.

Tipos de prototipado rápido
Fabricación de partículas balísticas (BPM)
Fabricación de luz dirigida (DLF)
Casting de producción de shell directo (DSPC)
Modelado de deposición fundida (FDM)
Fabricación de objetos laminados (LOM)
Impresión en resina laminada (LRP)
Fabricación de deposición de forma (SDM) (y molde SDM)
Curado de suelos sólidos (SGC)
Sinterización selectiva por láser (SLS)
Fundicion laser selectiva (SLM)
Litografía estéreo (SLA)

Todas estas tecnologías asumen la presencia de un modelo de computadora tridimensional de la pieza. La mayoría de los sistemas CAD conocidos proporcionan modelos de exportación en el estándar para el formato STL de creación rápida de prototipos.

Algunas de las instalaciones de BP se llaman impresoras 3D.

Procedimiento
Los procesos de creación rápida de prototipos son, por lo tanto, procesos de producción que tienen el objetivo de convertir los datos CAD existentes directa y rápidamente en piezas de trabajo, si es posible sin desvíos o formas manuales. La interfaz de datos relevante para este grupo de procesos es el formato STL. Lo conocido bajo el término de creación rápida de prototipos desde los métodos de los años 80 es generalmente el moldeo primario, que construye las capas de la pieza de trabajo de material sin forma o de forma neutra utilizando efectos físicos y / o químicos.

Entre los métodos de prototipado rápido se incluyen:

proceso	materiales
Elaboración de Contornos (CC)	hormigón
Fusión de haz de electrones (EBM)	rieles
Modelado de deposición fundida (FDM)	ABS, polilactidas
Modelado de objetos laminados (LOM)	Papel, plásticos, cerámica o aluminio.
Modelado de red de ingeniería láser (LENS)	rieles
Revestimiento láser	rieles
Modelado Multi Jet (MJM)	Termoplásticos cerosos, fotopolímeros sensibles a los rayos UV, arena, polvo metálico, polvo de vidrio
molde de poliamida	poliamidas
Fundicion laser selectiva (SLM)	Metales, plásticos, cerámicas
Sinterización selectiva por láser (SLS)	Termoplásticos: policarbonatos, poliamidas, policloruro de vinilo, metales, cerámicas.
Moldeado de rompecabezas espacial (SPM)	plástica
Estereolitografía (SL o SLA)	Durómeros o elastómeros líquidos.
Binder Jetting (impresión 3D)	Polvos y granulados.

Los métodos como FDM, SLM y EBM, que aplican el material en capas, también se conocen como impresión 3D.

Solicitud
En los últimos años, los campos de aplicación de prototipado rápido, que inicialmente se centraron en la fabricación de modelos y prototipos, se han extendido a otros campos. Éstas incluyen:

El uso como herramienta: Rapid Tooling y
El uso como pieza terminada: Rapid Manufacturing.

Debido a la amplitud de las aplicaciones actuales, actualmente es apropiado hablar del uso de técnicas de fabricación generativa.

Junto con otras tecnologías modernas como ingeniería inversa (digitalización), CAD, realidad virtual y procesos modernos de herramientas, la cadena de procesos dentro del desarrollo de productos también se conoce como Desarrollo rápido de productos.

Además, también hay términos tales como procesos de fabricación generativa, fabricación aditiva, fabricación de revestimientos, fabricación de forma libre, fabricación de equipos de escritorio, tecnología de fabricación de capas, fabricación digital avanzada (ADM), fabricación electrónica, etc.

Debido a este rango de uso de componentes producidos de forma generativa, los requisitos se aplican siempre a los componentes fabricados de forma generativa, que pueden resolverse siguiendo las tecnologías en procesos generativos como la tecnología de superficie. Por lo tanto, es posible mediante procesos ablativos como el arenado o el acabado vibratorio para nivelar los niveles debido al proceso de construcción. También es posible pintar o metalizar las piezas fabricadas generativamente.

Aplicaciones especiales
análisis de ingeniería
visualización de secuencias
medicina

Beneficios
Reduciendo la duración de la preparación técnica de la producción de nuevos productos de 2 a 4 veces.
Reduciendo el costo de producción, especialmente en producción a pequeña escala o individual, de 2 a 3 veces.
Aumento significativo en la flexibilidad de la producción.
Mejora de la competitividad de la producción.
Mediante el uso de tecnología informática, integración con sistemas CAD.

Desventajas
El costo relativamente alto de las instalaciones y consumibles.
Modelos de resistencia relativamente baja (según el material).
Tiempo de producción
Con el tiempo, las desventajas se eliminan gradualmente: los precios se reducen y la elección de tecnologías y materiales aumenta.