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Impresión 3D: un diseño autoreplicante para el desarrollo rápido de prototipos. Constante innovación en el desarrollo de productos.

La impresión 3D está convirtiéndose rápidamente en parte esencial del proceso de diseño electrónico. Cada vez son más las empresas que están descubriendo las ventajas de esta tecnología para desarrollar prototipos sin tener que perder meses en el ciclo de diseño.

El coste del hardware y la falta de un software de diseño simple para usuarios sin conocimientos en CAD frenaban su adopción. Pero ahora, la impresora 3D RepRap auto-replicante de código abierto ha evolucionado en un último modelo, la Ormerod, que junto con el software de modelado 3D DesignSpark Mechanical, brinda a las empresas y los desarrolladores una excelente oportunidad para acelerar el proceso de desarrollo y fomentar la innovación, según opina Mark Cundle, director de marketing técnico en RS Components.  La impresión tridimensional (3D), o la fabricación aditiva como también ha venido a llamarse, está revolucionando el desarrollo de los productos y, en algunos casos, el de la propia producción. Se trata del proceso de fabricar un objeto sólido a partir del modelo de un diseño asistido por ordenador (CAD). Para ello, se emplea el proceso de fabricación aditiva, que básicamente acumula capas sucesivas de materiales, como plásticos o metales, que se superponen con diferentes formas. La técnica de maquinado más tradicional usa un proceso de sustracción, en el que se retiran materiales de forma muy similar a cómo los escultores van cincelando un bloque de mármol, como podría haber hecho el mismísimo Auguste Rodin en sus tiempos.

Aunque la impresión 3D parezca una innovación revolucionaria de este último año, en gran parte y lamentablemente por el eco entre la prensa por la fabricación de armas, esta técnica ya era incipiente en los años 80. Se han usado muchos métodos de impresión 3D, algunos como el modelado por deposición fundida (Fused Disposition Modelling, FMD), que actualmente es el proceso más común para la impresión 3D de bajo coste, la estereolitografía (Stereo Lithography, SLA), la fusión por haz de electrones (Electron Beam Melting, EBM) o la fabricación laminada de objetos (Laminated Object Manufacturing, LOM). Estas tecnologías se usan cada vez más para el desarrollo rápido de prototipos y también en algunos procesos de fabricación de numerosos sectores, como en el desarrollo del sector de la ingeniería, construcción, automoción, defensa y aeroespacial, aplicaciones médicas y diferentes mercados de consumo, como el de la moda.

 

Mayor presencia en el mercado

Con el nuevo milenio, las ventas de impresoras 3D han aumentado considerablemente, cada vez despiertan más interés y sus precios atractivos también ayudan, los modelos de producción en serie cuestan menos de 2000 euros.

Un reciente estudio de mercado, publicado por la consultora Markets&Markets, prevé una tasa de crecimiento anual compuesto del 23% para las impresoras 3D entre 2013 y 2020, para finalmente alcanzar un volumen de ventas de más de 6 mil millones de euros.

La impresión 3D está evolucionando desde una tecnología especializada empleada principalmente por grandes empresas hacia un sistema orientado al mercado de masas de consumidores y pequeñas empresas. De hecho, hay grupos de opinión que sostienen que las impresoras 3D acabarán por hacerse un hueco en nuestras casas para evitarnos los costes asociados a la compra de artículos comunes para el hogar. La tecnología está siendo rápida en demostrar su utilidad para cualquier aplicación, y gracias a ella podremos crear a pequeña escala productos comparables a los producidos por las grandes empresas. Joe Kraus, pionero en las empresas dotcom, habló de todo esto con verdadero acierto en el programa “In Business” de BBC Radio 4. Puso de relieve el aspecto realmente innovador que supone para los procesos de fabricación y producción: “El siglo XX se reducía a docenas de mercados de millones de consumidores. En el siglo XXI, se trata de millones de mercados de docenas de consumidores”. La situación es esta: la impresión 3D, junto con otras tecnologías y plataformas, como el código abierto, está destinada a desarrollar un papel importante en un futuro que claramente apunta a soluciones 100% personalizadas, en lugar del viejo enfoque de fabricar “un producto que sirva para todos”.

 

Desarrollo rápido de prototipos: horas, no semanas

La impresión 3D está haciéndose un lugar importante en la fabricación de productos de numerosos sectores, en particular en aplicaciones de bajo volumen o altamente personalizadas. Sin embargo, esta tecnología tiene sus límites para la producción a gran escala. La impresión 3D, basada en la superposición de capas, parece no presentar la integridad estructural necesaria para fabricar componentes de producción. Por tanto, es poco probable que en un futuro inmediato la impresión 3D sustituya a la tecnología de fabricación a partir de metal líquido moldeado.

Pero quizá, el factor determinante, al menos para la fabricación en serie, es la capacidad de la impresión 3D de crear prototipos rápidamente. Está revolucionando la metodología del desarrollo de los productos ya que no es necesario estudiar el funcionamiento de las máquinas para crear prototipos. Y esto supone una gran ventaja en los plazos de comercialización, además de mayor libertad en los diseños. El proceso del desarrollo de productos ha experimentado grandes mejoras en toda una serie de sectores, incluidos los dedicados a la producción automovilística, la electrónica de consumo y los dispositivos médicos. La tecnología de impresión 3D se está usando para diseñar y probar conceptos nuevos en el ámbito de la pequeña y gran empresa y sirve como alternativa a las herramientas mecánicas personalizadas para crear prototipos de componentes o piezas nuevas. El método permite a los desarrolladores disponer de un prototipo en cuestión de horas o días, en lugar de las semanas o los meses que se necesitaban antes. Pero las ventajas van más allá del mero ahorro de tiempo y costes; el desarrollo rápido de prototipos con la impresión 3D está favoreciendo la fabricación final de productos más innovadores y de mayor calidad.

Los desarrolladores ya no tienen que esperar a recibir herramientas ni piezas de distribuidores de maquinaria ni talleres de moldeo por inyección. Las impresoras 3D permiten probar físicamente los prototipos, rectificarlos y mejorarlos antes de materializarlos en un producto final para la producción en serie.

 

RepRap y auto-replicación

Un punto clave de la impresión 3D es el código abierto y la autoreplicación: ¿y si una impresora 3D pudiera duplicarse a sí misma? Adrian Bowyer, un ex-profesor de ingeniería mecánica en la universidad de Bath, Reino Unido, fundó el proyecto “Replicating Rapid Prototyper” (Replicación rápida de prototipos), “RepRap”, en 2004.

La idea consiste en que la impresión 3D esté disponible para el gran público a un precio razonable o relativamente bajo. En definitiva, el proyecto RepRap es una iniciativa para desarrollar una impresora 3D asequible que pueda imprimir la mayoría de sus propios componentes. Las impresoras RepRap usan métodos de impresión 3D basados en el modelado por deposición fundida (FDM): una pistola de pegamento plástico controlada por ordenador y un carrete de plástico alimentado en una cámara caliente.

El material plástico se aplica con un inyector diminuto y se crea la primera capa, que se deposita en una placa base. A continuación, la placa baja ligeramente para recibir la segunda capa, y el ciclo vuelve a repetirse. En sus charlas y conferencias, Bowyer explica que con el proyecto RepRap se establece una relación de simbiosis entre las máquinas y las personas: las máquinas son las flores que producen frutos y las personas son los insectos que polinizan estas flores que ayudan a las máquinas a replicarse.

Si bien la máquina podrá crear todas las piezas de plástico, RepRap especifica que el resto de componentes necesarios para obtener una máquina “gemela”,  como l motor eléctrico, los sistemas electrónicos y otras piezas como varillas roscadas de metal, deben cumplir dos premisas: deben ser relativamente baratos y sencillos de obtener; y deben estar fácilmente disponibles para todos en cualquier lugar del mundo.

Un objetivo fundamental de RepRap es que la impresión 3D esté al alcance de todos y, por tanto, un argumento central del proyecto es que debe ser de código abierto. Todo lo que puede copiarse a sí mismo está sujeto a las leyes de la evolución; y al tratarse de una máquina que fabrica sus propias piezas, los archivos de diseño tienen que tener disponibilidad absoluta. Sin embargo, la máquina no evolucionará por mutación aleatoria, será más consecuencia de un proceso selectivo similar al desarrollo de Linux y el software de código abierto.

Qué duda cabe de que los integrantes de la comunidad RepRap cambiarán el diseño para mejorarlo, quizá en una versión más precisa o fácil de desarrollar, y por supuesto, muchas de estas mejoras se publicarán en Internet. Y si un usuario tiene una máquina RepRap antigua, puede usarla para crear otra nueva a partir del diseño mejorado.

El proyecto ha logrado una gran aceptación: existe una oferta de impresoras a un precio asequible y la mayoría se basan en el proyecto RepRap. Según una encuesta reciente sobre la impresión 3D (Manufacturing in Motion, Moilanen, J. & Vadén, T), el proyecto RepRap acaparaba la mayor cuota del mercado. Además, para difundir aún más el concepto, en 2011 surge RepRapPro, el brazo comercial del proyecto RepRap.

Las primeras impresoras 3D RepRap fueron los modelos Huxley y Mendel,  con un preci de venta de apenas unos cientos de euros, y comercializados como un kit de piezas, con o sin los componentes plásticos impresos. Y ya está aquí la nueva generación de RepRap, el modelo Ormerod.

 

RepRapPro Ormerod

 

RS pone a su disposición el nuevo y asequible kit de impresión 3D RepRapPro Ormerod. Junto con el software de diseño 3D gratuito DesignSpark Mechanical, la impresora permite a los ingenieros de diseño desarrollar conceptos y productos sofisticados con asombrosa rapidez y rentabilidad. El modelo Ormerod es una de las impresoras 3D más versátiles del mercado, también indicada para tiradas de producción pequeñas. Su excepcional diseño permite añadir más funciones fácilmente y es rápida de duplicar y ensamblar.

Al igual que sus predecesoras, la Ormerod usa el proceso FDM, también conocido como fabricación con filamento fundido, para crear objetos 3D a partir de diversos materiales plásticos e incluso con toda una paleta de colores. Este proceso permite al usuario crear casi cualquier forma que se pueda modelar en un ordenador, incluso algunas que no se pueden reproducir con técnicas de fabricación tradicionales. Aunque la Ormerod es en realidad una impresora 3D monocroma configurada para funcionar con un tipo de plástico por objeto producido, el cabezal del dispositivo está diseñado para admitir deposición de tres colores. Está previsto que próximamente salga al mercado un kit de actualización. Además, la placa electrónica de la Ormerod se ha rediseñado y ahora admite conectividad mediante navegador web. Igualmente, su montaje es mucho más simple si se compara con el modelo Mendel, para el que hacía falta una media de dos días. En cambio,  la Ormerod está lista en dos horas, lo que la hace accesible hasta para los usuarios menos avanzados.

La RepRapPro Ormerod se entrega con un kit de piezas con todos los componentes necesarios, lista DesignSpark Magazine Número 4 para ensamblarse. El kit completo incluye: todas las piezas impresas; tornillería, incluidas varillas lisas y roscadas, tornillos, tuercas, arandelas, correas y cojinetes; placa electrónica programada y ya soldada; tarjeta MicroSD y adaptador; superficie de montaje en PCB calefactada; motores; inyectores y mecanismo de accionamiento de extrusora; 100 m de material de filamentos PLA (ácido poliláctico) de 17,5 mm de diámetro (unos 300 g); fuente de alimentación (para UE, UK, EE.UU. y Australia); y por último, software para el funcionamiento de la máquina, incluido el firmware para el sistema electrónico. Entre otras especificaciones de la Ormerod se incluyen una precisión de 0,1 mm, resolución de 0,0125 mm, velocidad de producción de 1,8 mm por minuto y velocidad de deposición de 33 cm3 por hora.

En resumen, el diseño 3D y el desarrollo rápido de prototipos ya están al alcance de un mayor número de usuarios y no quedan reservados únicamente a los expertos en CAD. Por lo tanto, se abren las puertas a nuevas innovaciones y a una mayor oferta de productos en el mercado en menos tiempo, todo ello gracias a la combinación de la tecnología de impresión 3D de bajo coste de la RepRapPro Ormerod, el software gratis y fácil de usar DesignSpark Mechanical y la biblioteca ModelSource de modelos de componentes 3D. La RepRapPro Ormerod está disponible en el sitio Web de RS en rswww.com/RepRapPro y DesignSpark Mechanical está disponible para descarga gratuita en el sitio Web de DesignSpark en www.designspark.com. 



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