Feria del prototipado y las técnicas de rapidtooling

La fuerte innovación de los prototipos y el rapidtooling

Redacción PU15/04/2004

Del 5 al 7 de mayo se celebra Protodesign, Feria del Concepto a la Producción, un certamen y congreso, en los que la la innovación será el baluarte, acercando a los fabricantes nuevos métodos para el desarrollo de prototipos y productos y mejorando la capacidad y rapidez de respuesta haciendo frente a las necesidades del mercado. La feria reunirá a los sectores cuyos productos y servicios giran entorno a la planificación, la gestión, el diseño y el desarrollo industrial del producto.Una feria en la que el prototipado y las técnicas de rapidtooling tendrán un protagonismo especial.

La fabricación rápida de prototipos está avanzando con claridad hacia la producción de piezas reales. Numerosos sectores se valen de estás técnicas y en esta ocasión nos hacemos eco de cómo Toyota ha aprovechado el sinterizado por láser para el Fórmula 1 que utilizó en el premio Australiano. Ya en 2002 el Fórmula 1 de Toyota debutó en el GP australiano de Melbourne con el TF 102. Un vistazo al taller de Toyota Motorsport permite atisbar dos máquinas de sinterizado selectivo por láser Eosint P, del fabricante EOS, representado en España por Protoser. Los dos equipos -uno de ellos es la última versión de láser doble- fabrican piezas directamente a partir de polvos termoplásticos a partir de datos tridimensionales de CAD. Son modelos y variantes probados en un modelo en el túnel aerodinámico y a veces incluso en el coche real. La presión del tiempo es enorme y las expectativas muy altas.

TMG utiliza el sinterizado por láser para piezas destinadas a pruebas como capós, piezas de freno, absorbentes de impactos y piezas para el motor, así como otras para ser utilizadas en el túnel aerodinámico. A pesar de que sólo una pequeña parte del vehículo real se realiza con material sinterizado por láser, el elevado número de aplicaciones diversas requiere constantemente la utilización de la Eosint P 360 y la Eosint P 700 de doble láser. Ambas pueden fabricar varia piezas de plástico a la vez y también se pueden introducir nuevos trabajos a la máquina mientras está en funcionamiento. En el equipo de láser doble se pueden realizar piezas de 700 x 380 x 580 mm y series de hasta 1.000 piezas, dependiendo e la geometría.

Algunos estudios independientes (como el realizado por Rapid Manufacturing Consortium bajo la dirección de Philip Dickens) han demostrado que el sinterizado selectivo por láser de piezas de plásticos puede ser más ajustado desde el punto de vista de los costes que, por ejemplo, el moldeo por inyección, cuando se trata de series de decenas de miles de piezas.

Esto significa que la producción y el prototipado se pueden hacer ya, en determinados casos, en la misma máquina. De momento suena un poco lejano este momento, pero el hecho es que los medios existen ya y que empresas como EOS siguen acelerando el proceso para pasar del prototipado rápido a la fabricación rápida de piezas reales.

EOS en la pole

EOS (www.eos.info), representada en España por Protoser es una empresa de referencia en el campo del prototipado y en general las tecnologías “rapid”. Una novedad de EOS fue la máquina Eosint M 270 para la máxima calidad de las piezas y mayor productividad en el sinterizado directo de metal por láser. Presenta numerosas novedades sobre todo en la técnica DirectPart. Con esta máquina se utiliza por primera vez una generación nueva de láser, llamado láser de fibra, que aporta una mejor resolución. Además, la elevada absorción de la longitud de onda del láser, junto con un sistema de enfoque variable patentado aumentan la velocidad y la productividad. También se ha simplificado la manipulación de la máquina y del polvo. Eosint M 270 es un complemento de la Eosint M 250 Xtended, ideal para aplicaciones de DirectTool. Un dato curioso: varias de las piezas de la nueva M 270 están realizadas precisamente mediante el sinterizado láser, acercando así el rapid manufacturing a la realidad desde un doble punto de vista.

Por otro lado, aunque se pueden inyectar una gran cantidad de piezas con los materiales Eosint M existentes, todavía existe una clara necesidad de moldes más duros con la técnica DirectTool. Con este fin EOS ha desarrollado un nuevo material, el DirectSteel H20, un acero que permite piezas densas y sin poros con una dureza de hasta 42 Rockwell C.

Los prototipos de las suelas de Reebok, en menos de un día

Para completar su gama de calzados, las actividades de la empresa Reebok dedicadas al golf empezaron a estudiar un nuevo diseño para una nueva suela de los calzados de golf sin clavos. Este proyecto fue muy interesante para la empresa, ya que muchos campos de golf desaconsejan - y hasta prohiben el uso de los tradicionales zapatos con clavos.

Reebok gasta actualmente unos 3.500-4.000 dólares para obtener el modelo de realización de prototipos tradicionales (herramientas estándar y moldeo por inyección), con tiempos de espera entre 30-60 días. Como alternativa, el laboratorio de realización rápida de prototipos de la empresa ha sugerido otra solución que permite realizar el prototipo en muy poco tiempo, con notables ahorros económicos. El laboratorio tenía entre sus equipos el sistema Sinterstation 2500 de DTM, utilizado para diversas aplicaciones de realización de prototipos y que permite utilizar una amplia gama de materiales.

Uno de estos es el polvo de polímero elastomérico distinguido por la marca comercial Somos 201 de DSM Somos material que permite realizar componentes flexibles con características parecidas a las de la goma. Para Reebok, el polvo Somos 201 ha sido una excelente elección para la realización de prototipos de suelas sin clavos.

Para preparar el nuevo diseño para la obtención de prototipos, la suela fue diseñada en el sistema informático 3D CAD; el archivo fue seguidamente traducido al formato idóneo para en uso en sinterización selectiva por láser con el sistema Sinterstation. Reebok ha creado, utilizando Sinterstation, un prototipo de la suela para golf (derecha e izquierda). Los prototipos de las suelas fueron realizados en tan solo siete horas.

Comparación de las propiedades de material sinterizado e inyectado

Las actuales tecnologías de prototipado rápido, como el sinterizado selectivo por láser (SLS) permiten obtener piezas prototipo en plazos realmente cortos con distintos materiales. Entre ellos, los materiales de poliamida (nylon) con o sin carga de fibra de vidrio se encuentran entre los más utilizados por sus excelentes propiedades mecánicas y de resistencia: no sufren rotura frente a impacto, no se deterioran en condiciones extremas de esfuerzo, temperatura y humedad, son estancos (se pueden utilizar como depósitos de líquidos), etc.

Para comprobar la validez de los prototipos funcionales obtenidos mediante SLS se realizó un estudio en AIJU de los materiales utilizados en esta tecnología de prototipado, y se comparó su comportamiento con material de poliamida comercial inyectada.

Empleando una poliamida 12 (PA 12) comercial, Rilsan A, sin carga, y conteniendo un 30 % de fibra de vidrio, y una PA 12 sinterizada, se obtuvieron probetas normalizadas para la realización de los ensayos mecánicos.

Se observó que la densidad de la PA sinterizada es algo inferior, pero la dureza es similar. Las temperaturas de fusión son iguales pues se trata del mismo material, PA 12. La PA sinterizada aguanta mejor la temperatura como se deduce de los mayores valores obtenidos en los ensayos de temperatura Vicat y temperatura de reblandecimiento. También el material sinterizado es más rígido pues el módulo de Young y la resistencia a la fluencia son mayores. Sin embargo, la resistencia al impacto y el alargamiento rotura son menores, aunque la resistencia a la rotura es similar.

La densidad del material sinterizado es algo superior pues según el resultado obtenido mediante análisis termogravimétrico, este material contiene un 50 % de fibra de vidrio, sin embargo la dureza es similar. También la temperatura de fusión es la misma, pues se trata de PA 12, así como la temperatura Vicat y de reblandecimiento mediante análisis termomecánico.

La PA con fibra de vidrio sinterizada es menos rígida pues el módulo de Young obtenido es menor. Y las propiedades mecánicas resultan inferiores tal como se obtiene de los valores de resistencia al impacto, resistencia a la tracción y el alargamiento en el punto de rotura.

Por tanto, se observa que las piezas obtenidas mediante sinterizado presentan buenas propiedades en general, comparándolas con las obtenidas mediante inyección, destacando su mayor resistencia térmica y su comportamiento inferior en cuanto a resistencia al impacto. En el caso de la PA con fibra de vidrio las propiedades mecánicas son algo inferiores a las obtenidas mediante inyección, sin embargo, los valores presentados son de gran utilidad para la selección de uno u otro material a la hora de obtener un prototipo funcional, destinado a un uso determinado.

Moldes para series directamente del CAD

ASCAMM y EOS GmbH, de Planegg, cerca de Múnich, tienen un acuerdo de colaboración mutua para unir sus fuerzas en la transferencia de la tecnología de sinterizado láser a la industria española de fabricación de moldes. Por la misma razón, ASCAMM invirtió en una máquina de sinterizado láser modelo EOSINT M250 Xtended para completar su amplio rango de innovadores equipos tecnológicos. Con su propio sistema, ASCAMM se convertirá en un centro de demostración de la tecnología EOSINT M y también servirá como una plataforma para que Protoser, firma distribuidora de EOS para la península ibérica, pueda realizar visitas con sus clientes. Para satisfacer los requisitos de calidad en superficie, los insertos de DMLS necesitan habitualmente algún postproceso superficial como el granallado o el pulido. Sin embargo, utilizando el nuevo polvo fino DirectSteel 20, con 20 micras de grosor de capa, las labores de acabado de la superficie han sido reducidas al mínimo. El nuevo polvo fino ha permitido también el procesado de material más denso de forma que la porosidad superficial de los insertos de DMLS puede ser virtualmente 0%. La densidad en la superficie mejorada representa dos mejoras sustanciales. En primer lugar, permite el logro de mejor calidad de superficie en el acabado ya que la microestructura del metal sinterizado es más homogénea y en segundo lugar, mejora la resistencia al desgaste ya que aumenta la dureza macro (normalmente medida en escala Brinell). Las propiedades excelentes del material en las aplicaciones de moldeo y fundición son necesarias porque las elevadas presiones y temperaturas de proceso causan tensiones cíclicas de tipo mecánico y térmico. La resistencia a la fatiga del material para utillajes es a menudo el factor principal y determinante en la vida total del molde. Finalmente, para conseguir un proceso viable y competitivo los requisitos de tiempos de mecanizado cortos y bajos costes deben ser satisfechos.

El principio básico del barrido láser es crear primero una línea de contorno del área de la sección transversal (contorneo) y a continuación llenar las áreas internas de este contorno con un barrido vectorial (tramado). El software de proceso de EOS ha sido diseñado de manera que varios parámetros distintos puedan ser cambiados para obtener las propiedades óptimas del material y la mejor precisión.