En un vistazo:
- Ya sea de alta o baja tecnología, la creación de prototipos tiene muchas formas. El proceso suele ser iterativo, no lineal y automatizado.
- Protolabs está automatizando el proceso de producción de fabricación aditiva a través de una plataforma de comercio electrónico de ciclo de vida integrado.
- Ford se unió a sus rivales GM y Fiat Chrysler en el uso de su poder de fabricación para hacer prototipos rápidos de equipos de protección personal durante el brote de COVID-19.
- La ingeniería de diseño de tuberías & favorece un estilo de creación de prototipos no lineal que hace hincapié en la construcción de una lista bien definida de requisitos funcionales para las máquinas de dispositivos médicos en desarrollo.
Thomas Edison no inventó la bombilla, pero su trabajo de creación de prototipos del primer sistema de iluminación incandescente es un ejemplo clásico de ensayo y error.
El prolífico inventor envió a gente a los confines de África y Japón en busca de un material de filamento satisfactorio, y necesitaría más de 1.200 experimentos, 6.000 plantas de muestra y 40.000 dólares para dar a conocer la preciada bombilla eléctrica incandescente. Ese prototipo (patente estadounidense 223.898), con su filamento de hilo de coser carbonizado, ardía durante 13,5 horas e iluminaba todo su laboratorio de investigación industrial de Menlo Park.
Por un lado, los inventos de Edison -se le concedieron un total de 1.093 patentes- son el aval consumado para iterar rápidamente hasta conseguirlo. Por otro lado, pocas empresas de fabricación pueden permitirse el lujo de cometer innumerables errores en el mercado actual, ferozmente competitivo, más rápido, mejor y más barato.
La primera bombilla de Thomas Edison expuesta en Menlo Park.Wikimedia Commons
En 2020, por ejemplo, IBM se hizo con el puesto número 1, con 9.130 patentes, entre las empresas que más patentes tenían asignadas, superando a Samsung Electronics, Canon y Microsoft. No hay garantías de que cada una de estas ideas y soluciones conceptuales patentadas se integren en un producto final, pero es probable que los ingenieros de diseño evalúen cada concepto para asegurarse de que solo se seleccionan los más prometedores para diseñarlos y crear prototipos para su fabricación.
Acelerar el proceso
Los procesos de creación de prototipos, ya sean de alta o baja tecnología, adoptan muchas formas, pero normalmente implican el desarrollo de una versión inicial de un producto con el fin de evaluar el diseño, resolver problemas de diseño y señalar áreas de mejora antes de que el producto llegue a la fase de desarrollo. Entre las ventajas de ver una versión física está el hecho de que permite a los diseñadores aumentar las tecnologías existentes y facilita las de próxima generación.
La creación rápida de prototipos, por extensión, engloba un conjunto de tecnologías que crean con rapidez y precisión modelos tridimensionales tangibles a escala utilizando datos de diseño y fabricación asistidos por ordenador (CAD/CAM). Las tecnologías CAD, junto con las capacidades de software y hardware de fabricación aditiva (AM), han acelerado considerablemente los procesos de creación de prototipos. Invariablemente, el prototipado rápido se asocia con la AM, pero los proveedores más grandes de impresión 3D personalizada están rediseñando cada vez más sus enfoques de prototipado ampliando sus servicios para incluir el moldeo por inyección, la fabricación de chapa y el mecanizado CNC.
Se muestra un diseño de eyector propuesto en la plataforma de comercio electrónico de Protolabs.Protolabs
Asumiendo el reto de la producción de la impresión 3D, Protolabs, un fabricante de prototipos personalizados con sede en Maple Plain, Minnesota.con sede en Maple Plain (Minnesota), lanzó en febrero una plataforma de comercio electrónico que supuestamente reestructura el ciclo de vida de los productos al agilizar los presupuestos en línea, el análisis del diseño y los pedidos. «La plataforma se centra en ayudar a transformar las ideas del ingeniero de diseño -desde el momento en que tienen una idea hasta su iteración, creación de prototipos, pasando por ese recorrido- hasta el mercado final», dijo Mark Flannery, director global de producto, comercio electrónico, en Protolabs. «El valor real es permitir que (los clientes) sepan exactamente lo que van a recibir virtualmente antes de recibirlo físicamente, porque eso reduce el ciclo de vida»
Una de las formas en que Protolabs está atendiendo a las necesidades en evolución es mediante la adición de una funcionalidad de «análisis de fabricación» en su plataforma de comercio electrónico. El sistema puede realizar un análisis en profundidad de un modelo tridimensional y proporcionar información sobre la geometría de un archivo CAD, lo que incluye resaltar las áreas que podrían resultar problemáticas y recomendar cambios para mejorar la fabricabilidad. «Presentamos toda esa información a los ingenieros, para que puedan tomar sus decisiones sobre si deben hacer refinamientos antes de que la (pieza o componente) se fabrique realmente», dijo Flannery.
La plataforma de comercio electrónico de Protolabs realiza análisis de fabricación.Protolabs
Batiendo la oferta
En ningún lugar fue más relevante la necesidad de crear prototipos rápidos que cuando los equipos de protección personal, como las mascarillas N95, escaseaban al comienzo del brote de coronavirus del año pasado.
Will Martin, director de marketing y comunicaciones de Protolabs, cuenta con orgullo la historia del respirador B2. Nombrado entre los mejores inventos de 2020 por Time, el B2 fue un rediseño de un prototipo que el ingeniero de diseño mecánico Max Bock-Aronson conjuró allá por 2013 para combatir la contaminación atmosférica, explica Martin. Protolabs apoyó a la startup de Bock-Aronson, Breathe99, desarrollando las copas filtrantes del respirador lavable a máquina, el sustrato de la placa facial y la tapa del filtro que eliminan el 99% de los contaminantes.
El GT500 se promociona como el Mustang más avanzado aerodinámicamente de la historia.Ford Motor Company
Mantener las ruedas girando
De forma similar, el uso de métodos a prueba de fallos para acelerar el desarrollo de productos y proporcionar retroalimentación de ingeniería resultó ser crítico para la industria del automóvil. Ford Motor Company se unió a otros fabricantes de automóviles como GM y Fiat Chrysler para utilizar su poder de impresión y fabricación en 3D para hacer prototipos rápidos, fabricar protectores faciales y aumentar la producción de dispositivos médicos como respiradores y ventiladores purificadores de aire. Ford colaboró con GE Healthcare para aprovechar el diseño del respirador de Airon Corp. autorizado por la FDA y producir 50.000 unidades en 100 días en su planta de Michigan.
Esta hazaña de fabricación fue en gran parte gracias a la capacidad de creación rápida de prototipos y a décadas de experiencia con la impresión 3D, señaló Ellen Lee, líder técnico de Investigación de Fabricación Aditiva en la Ford Motor Company. «Aunque la pandemia ha cambiado sin duda la forma en que colaboramos y trabajamos en red, contar con estas plataformas virtuales nos ha permitido realmente seguir innovando juntos», dijo Lee.
Su trabajo se centra en las muchas formas en que la fabricación aditiva puede crear nuevas fuentes de valor en toda la empresa, así como en el desarrollo de tecnologías emergentes que abordan las deficiencias para lograr la producción a escala.
Ellen Lee, líder técnico – Investigación sobre fabricación aditiva, Ford Motor Company
Tenga en cuenta que los superordenadores de Ford y las capacidades de impresión 3D de última generación eclipsan los estándares de producción de la práctica común. La producción de bajo volumen en la industria de la automoción puede significar cualquier cosa, desde el tamaño de un lote hasta decenas de miles de unidades, y explica por qué los diseñadores de la división de alto rendimiento del fabricante de automóviles y los ingenieros de tren motriz y aerodinámica pudieron confiar en las herramientas de prototipado de AM de última generación para dar rienda suelta al Mustang Shelby GT500 de máximo rendimiento para la calle en 2020.
Para una ejecución de este calibre, cada milímetro tendría que contar para cumplir los objetivos de carga aerodinámica, frenado y refrigeración. El tiempo de desarrollo se aceleró y los diseños más prometedores se imprimieron en cuestión de días. Se hicieron refinamientos aerodinámicos y, para aumentar la fidelidad del rendimiento, las simulaciones tuvieron que trabajar en paralelo con las validaciones físicas en los túneles de viento de Ford en Michigan y en el túnel de viento rodante Windshear en Concord, dijo Lee.
«Al ofrecer más de 700 caballos de potencia utilizando combustible de 93 octanos, maximizar la refrigeración en la parte delantera es fundamental para el vigoroso rendimiento en pista del Shelby GT500», decía la nota de prensa de Ford en aquel momento. «Con el acelerador totalmente abierto, el sistema de refrigeración necesita extraer hasta 230 kilovatios de energía térmica, suficiente para calentar una docena de hogares. Los enormes frenos delanteros rechazan otros 100 kilovatios de calor en la frenada máxima, por lo que el equipo utilizó un avanzado modelado de flujo de aire en 3D para maximizar la refrigeración general al tiempo que se trabajaba para minimizar el impacto en la elevación y la resistencia del frontal.»
Desenmascarando el frontal del Mustang Shelby GT500.Ford Motor Company
En el momento del lanzamiento, Ford podía presumir de que el equipo de diseño había triunfado al conseguir una carga aerodinámica trasera máxima de 550 lb a 180 mph, aprovechando el alerón trasero del Mustang GT4 probado en competición para ofrecer la mayor carga aerodinámica jamás conseguida en un Mustang homologado para la calle. En cuanto al diseño del alerón trasero del superdeportivo, apodado «el columpio», las simulaciones avanzadas y los procesos de creación de prototipos fueron los responsables de que el vehículo ofreciera 379 lb de carga aerodinámica trasera a 180 mph.
Dado que el sistema de frenado del vehículo de rendimiento Shelby es distinto al del modelo base, fue necesario un nuevo diseño para esta parte en particular. Lee dijo que Ford pudo pasar de una pieza de metal a una de plástico con más de un 60% de reducción de peso, y pudo reducir la complejidad en el diseño del modelo original, que consistía en un soporte a la izquierda y otro a la derecha.
A diferencia de los procesos de utillaje tradicionales, las herramientas de diseño de AM permitieron a los ingenieros consolidar la pieza de tres partes a una sola «ambidiestra», que podía utilizarse tanto en el lado del conductor como en el del pasajero del vehículo y reducir la complejidad y el montaje. «Tuvimos un importante ahorro de costes en comparación con el mecanizado de esta pieza», dijo Lee.
Soporte del freno de estacionamiento eléctrico del vehículo de alto rendimiento Shelby.Ford Motor Company
Puttering in the Sandbox
Los fabricantes de automóviles descubrieron muy pronto que la AM podía cambiar su forma de abordar el diseño y los procesos del producto. La historia de Ford con la impresión 3D se remonta a 1986, cuando el fabricante de automóviles invirtió en estereolitografía tras adquirir su primera impresora 3D SLA. El novedoso proceso crearía una gran variedad de piezas, sentando las bases para posteriores inversiones en AM en el modelado por deposición fundida, el sinterizado selectivo por láser y la impresión en arena 3D.
«En 2004, la introducción de la impresión en arena o la fundición rápida en arena supuso un cambio significativo en la creación de prototipos de motores, lo que redujo aún más el tiempo de diseño de los nuevos motores», afirma Lee. El valor no estaba necesariamente en la capacidad de fundir piezas metálicas para su uso final, sino para la creación de prototipos de nuevos diseños de motores, ya que permitía a Ford utilizar el mismo material para fundir el aluminio, o cualquier material que se utilizara para el motor de producción, sin tener una herramienta, dijo Lee.
En 2014, el fabricante de automóviles probó el rendimiento de los elementos impresos en AM para ver lo que el proceso puede ofrecer para una herramienta lista para imprimir. Esta área de investigación dedicada a la creación de prototipos de herramientas es relativamente menos costosa y más rápida de producir, dijo Lee. La capacidad de impresión directa también está creciendo. «A medida que desarrollemos nuevos materiales que se comporten de forma más parecida a los materiales de calidad de producción y el rendimiento de esas piezas impresas, podremos ampliar las pruebas funcionales de los prototipos a lo largo del proceso», dijo Lee.
Los procesos de AM tienen el potencial de eclipsar los métodos tradicionales de fabricación de un prototipo de una herramienta: cortarla de un material menos costoso que el acero, como el aluminio, y moldear las piezas para probarlas como prototipos antes de poder cortar una herramienta dura final para la producción. En la actualidad, los prototipos pueden utilizarse para probar casi todas las piezas del vehículo, ya que se utilizan para medir la practicidad, la resistencia y la popularidad de los nuevos diseños.
Mientras que los métodos tradicionales de fabricación de herramientas pueden llevar meses y suponer costes desorbitados, las piezas impresas en 3D de prototipado rápido pueden producirse en cuestión de días a bajo coste. «La ampliación de las capacidades de las tecnologías de impresión en 3D podría permitir prescindir por completo de la fabricación de un prototipo de herramienta», dijo Lee.
Una parrilla delantera impresa en 3D.Ford Motor Company
Diseño para la fabricación
Para Aaron Moncur, director general de Pipeline Design & Engineering, una de las limitaciones del prototipado rápido es que no es necesariamente el mejor método para validar una nueva solución. Sin embargo, las virtudes del bajo coste y la rapidez pueden compensar la costosa y laboriosa fundición con herramientas blandas o el mecanizado, dijo, sobre todo si el prototipo está destinado a verificar un diseño y una función y cuando no está destinado a la producción.
Con sólo 10 empleados, la empresa con sede en Tempe, Arizona, que Moncur fundó en 2009, ofrece servicios de desarrollo de productos, centrándose principalmente en equipos de automatización y máquinas de prueba para empresas de dispositivos médicos. «La mayor parte del trabajo que hemos realizado, especialmente en los últimos seis años, ha abarcado el aluminio mecanizado por CNC», explica Moncur. «Prácticamente todos los equipos que desarrollamos tienen que albergar un dispositivo. Este tipo de trabajo a menudo se basa en piezas grandes, gruesas y pesadas, en contraposición a los productos de consumo, que característicamente tendrían piezas de plástico moldeadas por inyección de paredes finas.»
Aaron Moncur, CEO de Pipeline Design & IngenieríaPipeline Design & Ingeniería
El proceso de creación de prototipos de Pipeline puede caracterizarse como una progresión que se inicia una vez que el cliente presenta una idea. Un briefing inicial puede manifestar una lista robusta de requisitos o una idea aproximada. Del mismo modo, un prototipo puede ir desde un burdo boceto o un «dibujo animado CAD», en el que una forma de bloque puede representar una pieza y una flecha puede denotar un simple movimiento, y en el que se puede utilizar cartulina y pegamento caliente para confeccionar una maqueta para las pruebas.
El equipo de Moncur hace hincapié en la necesidad de desarrollar una lista bien definida de requisitos funcionales para una máquina en desarrollo. Cada diseño tiene que ser repetible y económicamente fabricable para convertirse en un producto final. «Ese es nuestro reglamento: tenemos que saber cómo es el éxito», dice Moncur, ingeniero mecánico con un máster en bioingeniería. «Si tenemos una lista bien definida de requisitos funcionales, podemos volver a señalar la lista al final del proyecto y decir: ‘esta máquina satisface todos los requisitos que (el cliente) nos dio'».
Una vez que se genera un concepto en la fase inicial y se incorporan los comentarios del cliente, se empieza a trabajar en el diseño y la ingeniería más detallados. «Se trata de una operación de CAD en la que pasamos semanas o meses haciendo todo el trabajo de diseño detallado», dice Moncur. El producto final suele ser una combinación de piezas mecanizadas y piezas impresas
Cuando el proyecto entra en la fase de adquisición, se toma la decisión de imprimir las piezas en la propia empresa o de trabajar con socios del taller de mecanizado para el control numérico de varios componentes. «Recibimos todo en nuestras instalaciones y realizamos el montaje y la validación funcional para asegurarnos de que todo funciona correctamente, y luego entregamos el equipo», dijo Moncur.
En una aplicación, Pipeline recibió el encargo de diseñar un conjunto de soportes para las pruebas funcionales y de características que se realizan en los catéteres médicos ópticos. Moncur explicó que los soportes se desarrollan para posicionar el dispositivo en una ubicación muy precisa en relación con otros equipos y herramientas de prueba que lo rodean. «El posicionamiento mecánico del dispositivo tiene que ser repetible, por lo que hay un nivel de precisión», explicó Moncur. «Históricamente, los hacíamos fabricar con aluminio mecanizado por CNC, lo que normalmente costaba entre 2.500 y 3.000 dólares y tardaba entre dos y tres semanas en mecanizar la pieza».
«Empezamos a imprimir en 3D con fibra de carbono continua, lo que hizo que las piezas fueran casi tan resistentes como el aluminio», añadió. «Ahora, en lugar de tres mil dólares y esperar tres semanas para conseguir uno de estos soportes, pasamos un día o dos imprimiéndolos, y el cliente puede pagar 500 dólares en lugar de 2.500. Son mucho más rápidos, mucho más baratos e igual de funcionales que las versiones de aluminio mecanizadas por CNC.»
Validar el enfoque
El enfoque de creación de prototipos de Pipeline está decididamente menos automatizado que la plataforma digital de Protolabs. Pero no es en absoluto menos robusto; en Pipeline, tener un prototipo viable es solo la mitad de la batalla y hacer que los equipos de ingeniería traduzcan las necesidades del usuario en requisitos mecánicos para crear los dispositivos de prueba y el equipo de cualificación necesarios para validar el rendimiento del producto es un ejercicio riguroso.
Flannery señaló que el proceso automatizado de Protolab ha evolucionado a través de su estrategia de adquisiciones en el transcurso de 20 años: desde un enfoque inicial en el moldeo por inyección y el moldeo por inyección rápido, a través de adquisiciones y servicios fusionados de moldeo por inyección, fabricación CNC, impresión 3D y chapa. La plataforma digital de presupuestos de Protolab aporta más coherencia a todos estos servicios. La recompensa, según Flannery, es que el enfoque del cliente ha pasado de decidir qué proceso de fabricación o servicio utilizar, a centrarse en cuál es el mejor resultado.
Mark Flannery, director global de producto, ProtolabsProtolabs
«Nuestros clientes siguen teniendo las necesidades originales, en las que un solo ingeniero trabaja en una sola pieza, y están creando prototipos y se centran en un solo proceso de fabricación», dijo Flannery. «Pero ahora también tenemos equipos de ingenieros que hacen múltiples piezas a través de múltiples servicios, y están haciendo prototipos y producción, y fabricación bajo demanda».
Lee, de Ford, está de acuerdo en que la creación rápida de prototipos debe formar parte del conjunto de herramientas de fabricación. «Estoy viendo mucho más enfoque en la industria en torno al uso de la fabricación aditiva para diversas aplicaciones en la industria del automóvil», dijo.
Lee coincide en que siguen existiendo obstáculos a la hora de fabricar piezas de producción. La transición a la producción de grandes volúmenes ocupa un lugar destacado en la lista de restricciones; la creación rápida de prototipos puede ser costosa, las propiedades de los materiales no siempre se pueden igualar, algunas características clave todavía no se pueden prototipar y el proceso requiere mano de obra cualificada. La ampliación a piezas de impresión directa puede requerir mucho capital, afirma. La forma, el ajuste y la función suelen sacrificarse en los procesos de fabricación cuando se prioriza el alto rendimiento.
Con enfoques únicos para la producción, Ford, Pipeline y Protolabs han orquestado estilos de prototipado no lineales. Si la intención de Ford es avanzar en las tecnologías de prototipado AM necesarias para reforzar la producción, Protolabs y Pipeline están empeñados en apuntalar las relaciones con los clientes que fomentan la selección de prototipos cuya fidelidad coincide con el proceso de diseño.
Nota del editor: el eje Mujeres en la Ciencia y la Ingeniería (WISE) de Machine Design recopila nuestra cobertura de los problemas de representación de género que afectan al campo de la ingeniería, además de las contribuciones de autoras y expertas en la materia dentro de varias subdisciplinas. Haga clic aquí para obtener más información.
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