Materiales para prototipado rápido: tipos, beneficios y guía de selección

Materiales para prototipado rápido

La base del rendimiento de un prototipo reside en el material adecuado. Prototipado rapido Convierte rápidamente un diseño digital en una pieza física, pero usar el material incorrecto para la creación rápida de prototipos puede dificultar el proceso de validación y ocasionar costosos retrabajos. 

Entre los materiales disponibles se incluyen metales, plásticos, resinas, cerámica, materiales compuestos, biomateriales, cera, papel y polvo. Los ingenieros los utilizan para desarrollar modelos visuales y funcionales que sirvan de base para la producción en serie. Los fabricantes que buscan ahorrar tiempo y ofrecer valor a sus clientes no pueden permitirse un prototipo que no represente fielmente la pieza deseada o que falle ante la más mínima carga. 

Desde los compuestos rígidos hasta los plásticos mecanizables, cada material de prototipado rápido cumple una función específica en el proceso de desarrollo del producto. El material adecuado no solo facilita las iteraciones de diseño y ayuda a controlar los costos, sino que también despierta el interés de las partes interesadas. 

Con el desglose de las opciones de materiales que se presenta en esta guía, conocerá las opciones, los beneficios y las limitaciones de cada categoría. Esto le ayudará a seleccionar el material adecuado para el prototipo de su próximo proyecto. 

¿Qué es la creación rápida de prototipos?

El prototipado rápido es una técnica de fabricación que convierte rápidamente un diseño digital en una pieza física. Esta técnica evita los plazos de entrega y los costes asociados a la fabricación convencional de utillaje. 

En esencia, la creación rápida de prototipos comprende cinco etapas;

Etapas de creación rápida de prototipos

Entre los procesos más comunes de creación rápida de prototipos se incluyen la fabricación de chapa metálica, el mecanizado CNC, la impresión 3D y el moldeo por inyección con herramientas de bajo coste. Los fabricantes utilizan modelos visuales y funcionales obtenidos mediante prototipado rápido para probar la forma, el ajuste y la función. Este es un paso importante antes de la producción en serie. 

Beneficios de la creación rápida de prototipos

El prototipado rápido cierra la brecha entre un concepto y un producto físico. Las ventajas comerciales resultantes incluyen rapidez de comercialización, eficiencia de costos, calidad, pruebas y validación, personalización, sostenibilidad y mejor comunicación.

Prototipos de metal

Los tres metales más comunes para la creación rápida de prototipos son el aluminio, el acero inoxidable y el titanio. Prototipos metálicos Ofrece ventajas como resistencia al calor, durabilidad y resistencia. 

Aquí te mostramos cómo cada uno de estos metales para prototipado rápido encaja en los proyectos. 

Prototipos de metal de aluminio 

Entre las razones por las que el aluminio es una de las mejores opciones como material para la creación rápida de prototipos se incluyen su excelente maquinabilidad, su coste relativamente bajo, su resistencia a la corrosión y una alta relación resistencia-peso de hasta 1.8.3]

Prototipo de aluminio

Los ingenieros suelen recurrir a perfiles de aluminio extruido fabricados según las normas ASTM B221 para obtener tolerancias dimensionales y rendimiento mecánico uniformes.2]

Prototipos metálicos de acero inoxidable

Los prototipos metálicos de acero inoxidable se utilizan cuando la pieza necesita resistir la corrosión, el estrés mecánico repetido y, en general, condiciones adversas. Debido a la mayor resistencia del acero inoxidable, cabe esperar un mayor desgaste de las herramientas y un tiempo de mecanizado más prolongado. 

Prototipos de metal de titanio 

Estos prototipos metálicos ofrecen un rendimiento inigualable en biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y relación resistencia-peso. Las aplicaciones más comunes para estos prototipos se encuentran en las industrias aeroespacial y médica.

Prototipo médico de titanio

Dado que el titanio es relativamente lento de mecanizar y caro, es comprensible que se utilice principalmente para prototipos centrados en la validación. Los prototipos en etapas iniciales se mecanizan mejor con materiales menos costosos, más asequibles y fáciles de trabajar. 

Prototipos de plástico

Las cinco opciones más utilizadas en Prototipado de productos de plástico son policarbonato (PC), poli(metacrilato de metilo) (PMMA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), polipropileno (PP) y poliestireno (PS).4]

Existen dos razones por las que los plásticos son los materiales más comunes en la creación rápida de prototipos: su disponibilidad en múltiples grados y la facilidad de mecanizado. 

Prototipado de plástico de policarbonato (PC)

Una de las propiedades más destacadas del PC es su excelente resistencia al impacto. Además, el material es naturalmente transparente y ofrece un rendimiento excepcional con un amplio rango de temperatura de funcionamiento (-30 °C a 120 °C).5]

Prototipado de plástico de poli(metacrilato de metilo) (PMMA)

Se trata de un material acrílico similar al vidrio; se utiliza con frecuencia como sustituto del vidrio en la creación de prototipos de plástico. Posee una excelente claridad óptica. Si bien puede ser más frágil que el policarbonato (PC), su buena resistencia a la intemperie y a los rayos UV lo hacen idóneo para la creación rápida de prototipos en exteriores. 

Prototipado de plástico de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)

prototipo de plástico ABS

El ABS es uno de los materiales preferidos por los fabricantes para la creación de prototipos funcionales debido a su notable maquinabilidad, resistencia y rentabilidad. Al igual que el PC, el ABS posee una buena resistencia al impacto. Este material de bajo costo también es fácil de mecanizar e imprimir en 3D. A esto se suma un acabado superficial uniforme. 

Prototipado de plástico de polipropileno (PP)

El polipropileno posee una alta resistencia a la fatiga, necesaria para la fabricación de sistemas de ajuste a presión y bisagras flexibles. Su buena resistencia química también es importante para la creación rápida de prototipos de piezas destinadas a entornos hostiles. Una preocupación con respecto a este plástico sería su menor estabilidad dimensional en comparación con el PC o el ABS. 

Prototipado de plástico de poliestireno (PS)

Gracias a su rentabilidad y facilidad de procesamiento, el poliestireno (PS) es un material ideal para prototipos conceptuales iniciales. Sin embargo, su fragilidad lo descarta para aplicaciones de validación mecánica. En cambio, los ingenieros prefieren utilizarlo en proyectos de diseño y fabricación. 

Propiedades típicas de los plásticos comunes utilizados en la creación de prototipos

La siguiente tabla destaca las propiedades típicas de los plásticos comunes utilizados en la creación de prototipos. 

[4]

Resinas para prototipado rápido

Las resinas proporcionan tolerancias estrictas y acabados superficiales finos que los metales o plásticos no pueden igualar. Ya sea mediante DLP o SLA, las razones específicas por las que un fabricante puede optar por resinas en la creación rápida de prototipos son:

• Requisito de modelos visuales detallados
• Alta precisión dimensional y excelente acabado superficial.
• Requisitos para formulaciones especiales: estándar, flexibles, moldeables y otras.

Sin embargo, las resinas utilizadas para la creación rápida de prototipos no son adecuadas para prototipos funcionales debido a su sensibilidad a los rayos UV y a su fragilidad.

Cerámica para prototipado rápido

La cerámica es ideal para prototipos cuando el diseño debe cumplir con requisitos de aislamiento y resistencia a temperaturas extremas. El límite de temperatura es superior al que pueden soportar la mayoría de los plásticos o metales. 

Los prototipos de cerámica no son la mejor opción si lo que busca es resistencia mecánica. 

Prototipo cerámico

Materiales compuestos para la creación rápida de prototipos

Los materiales compuestos son fuertes y rígidos, pero no son tan pesados ​​como el metal sólido. Las opciones para Prototipado de fibra de carbono y otras aplicaciones de prototipado rápido son las mezclas de carbono picado/poliuretano, el nailon reforzado con fibra de carbono y los polímeros rellenos de microesferas de vidrio/fibra de vidrio;

• Mezclas de carbono picado y poliuretano
• Nailon reforzado con fibra de carbono.
• Polímeros rellenos de microesferas/fibras de vidrio

Prototipado de fibra de carbono Se prefiere especialmente para prototipos ligeros y de alta resistencia. 

Biomateriales para la creación rápida de prototipos

Los biomateriales están ganando terreno cada vez más en el prototipado rápido. La principal ventaja de estos materiales es la reducción del impacto ambiental. 

Algunas características de los biomateriales en la creación rápida de prototipos:

• Ideal para modelos conceptuales
• Menor impacto ambiental que los plásticos derivados del petróleo.
• Baja resistencia mecánica y resistencia al calor. 

Ejemplos de biomateriales son el PA y el PLA de origen biológico. 

Cera para prototipado rápido

La cera es el material indispensable para la producción de modelos de fundición a la cera perdida. Las principales razones por las que es un material tan valioso para la creación rápida de prototipos son su capacidad de quemarse limpiamente y el excelente acabado superficial que proporciona. Sin embargo, la fragilidad de la cera descarta este material para prototipos funcionales. Pero todos podemos coincidir en que ayuda a fabricar piezas metálicas fundidas con rapidez. 

Papel y polvo para prototipado rápido

El papel de este material en el prototipado rápido es limitado, pero existe. Es un método rápido y económico para crear modelos visuales para las primeras etapas del prototipado. Dado que la resistencia mecánica de estos modelos es limitada, no son una opción para prototipos funcionales.

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Ventajas e inconvenientes de los materiales para prototipado rápido 

La siguiente tabla destaca las ventajas y desventajas del prototipado rápido para los diferentes materiales, que van desde la alta resistencia frente al alto coste en el caso de los metales, hasta el menor impacto ambiental frente a la baja resistencia en el caso de los biomateriales. 

Consideraciones al elegir materiales para prototipado rápido 

A la hora de seleccionar un material en la fase de creación de prototipos, conviene tener en cuenta los siguientes factores: velocidad, funcionalidad, coste, acabado superficial, exposición ambiental y resistencia mecánica.  

• Velocidad – La velocidad de obtención, mecanizado, impresión o moldeo por inyección de un material es uno de los factores determinantes del número de iteraciones de diseño que un equipo puede realizar.  
• Funcionalidad – Si bien la apariencia del prototipo es crucial, el material también debe imitar el rendimiento real de la pieza una vez que se complete la producción. 
• Costo – Los costos de materiales y procesamiento deben reflejar la finalidad del prototipo. Por lo general, no es necesario utilizar materiales de calidad de producción en la etapa de prototipo. 
• Acabado de la superficie Algunos prototipos pueden requerir una apariencia similar a la del producto final, mientras que otros no. Si el revisor o la parte interesada exige el prototipo, es mejor insistir en materiales que permitan obtener un acabado superficial uniforme. 
• Exposición ambiental Los productos químicos, la humedad, la salinidad y otros factores similares caracterizan las condiciones del mundo real. El material del prototipo debe ser capaz de soportar estas condiciones cuando corresponda. 

Las condiciones ambientales importan

• Estres mecanico – El uso real de un prototipo implica la exposición a fuerzas mecánicas. El material para un prototipo funcional debe cumplir con estos requisitos. 

Selección de materiales para prototipado rápido según su finalidad: un análisis en tabla.

La tabla que aparece a continuación destaca los materiales recomendados para la creación rápida de prototipos en función de la finalidad prevista. 

*Si sus piezas requieren validación tanto mecánica como térmica, elija policarbonato (PC) o titanio en lugar de materiales de un solo uso. 

Procesos de creación de prototipos para diferentes materiales

Los principales procesos que determinan la velocidad y el coste de un prototipo son el mecanizado CNC, el moldeo por inyección, la impresión 3D y la fabricación de chapa metálica. Entonces, ¿cómo se relacionan estos métodos con los materiales para la creación rápida de prototipos?  

Mecanizado CNC

El mecanizado CNC es un método fiable para el procesamiento de materiales de prototipado rápido gracias a su alta compatibilidad con una amplia gama de materiales. Además, es relativamente rápido, lo que se ajusta perfectamente a los requisitos de velocidad del prototipado. 

Los pasos para la creación de prototipos mediante mecanizado CNC son:

• Paso 1Ideación de diseño
• Paso 2Producción de archivos 3D
• Paso 3: Identificación del proceso CNC específico: torneado, fresado, taladrado, etc.
• Paso 4Programación CNC
• Paso 5Prototipado 
• Paso 6: Prueba 

Mecanizado de prototipos CNC

Moldeo por inyección 

El moldeo por inyección es un método de validación para piezas de plástico destinadas a la producción en masa. Se utiliza principalmente para probar el rendimiento del moldeo y la idoneidad de los materiales para la producción. Las herramientas para prototipos no suelen ser tan caras como las herramientas de producción. Se pueden fabricar en aluminio. 

Impresión 3D

La impresión 3D resulta atractiva por su velocidad y su capacidad para manejar geometrías complejas sin necesidad de herramientas especiales. Es apta para una amplia gama de plásticos, materiales compuestos y resinas. Si bien algunos componentes impresos en 3D pueden cumplir con los estándares de rendimiento mecánico de producción, los fabricantes suelen optar por la impresión 3D para la creación rápida de prototipos. 

Fabricación de chapa

Fabricación de chapa

La fabricación de piezas de chapa metálica en la fase de prototipado resulta útil para componentes como carcasas, paneles y soportes. Al igual que en la producción de piezas finales, se utilizan procesos como el corte y el doblado. 

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Tendencias futuras para materiales de prototipado rápido 

La brecha entre el prototipo y la pieza final se está reduciendo, gracias a los avances en la ciencia de los materiales. Resinas flexibles, plásticos biodegradables, compuestos modernos y Los diseños más ligeros y los prototipos duraderos marcan la pauta de la próxima generación de materiales para la creación rápida de prototipos. 

• Resinas flexibles – Las técnicas de impresión DLP y SLA se caracterizan por su fragilidad, pero los tipos de resinas modernas son más flexibles. 
• Plásticos biodegradables Ante la creciente presión en materia de sostenibilidad, cada vez hay más plásticos biodegradables disponibles en el sector manufacturero, que son más resistentes y soportan mejor el calor. 
• Compuestos modernos – La diferencia entre los prototipos y las piezas de producción es ahora menor gracias a las modernas formulaciones de polímeros reforzados con fibras y rellenos. 
• Diseños más ligeros y prototipos duraderos. En general, los materiales para la creación rápida de prototipos son cada vez más adecuados para las pruebas funcionales, y los diseños más robustos con una mayor relación resistencia-peso son cada vez más comunes.

Conclusión 

El material que se utilice puede definir la apariencia y el rendimiento del prototipo. La velocidad de iteración y el parecido con la pieza final están estrechamente ligados a esta elección. El aluminio, el acero inoxidable y otros metales proporcionan la resistencia mecánica necesaria para prototipos funcionales. Los plásticos como el PS y el ABS ofrecen una combinación única de maquinabilidad y rentabilidad. Los ingenieros recurren a las resinas y los materiales compuestos para proyectos de alta precisión y proyectos especializados, respectivamente. 

En resumen, existen muchas opciones y conviene que la función del prototipo coincida con la elección del material. A medida que planeas la transición de una idea a una pieza, nuestro servicios de prototipado rápido Te ofrecemos la orientación que necesitas sobre la elección de materiales y mucho más. Sube el archivo de diseño y recibirás un presupuesto gratuito en 24 horas. 

Recursos 

[ 1 ]https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

[ 2 ]https://store.astm.org/b0221m-13.html

[ 3 ]https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

[ 4 ]https://kunststoff-profi.de/en/materials/

[ 5 ]https://www.directplastics.co.uk/data-sheets