Guía para diseñadores Prototipado Industrial by Parramón Paidotribo, S.L.

y su idea inicial pción de la e c n o c la s , tra mer modelo un producto struir un pri e n d o c o ñ o , e is is c d re de ue es p ite la mejora n el proceso cto y perm a fase en q u n d u e ro u p g l e si d , as en un dibujo característic ho mayores. plasmación evaluar las le b si o costes muc p s o e d l n é a n rr teriales o o h C a o-. ndo los ma preventa, ra st su o –el prototip a m st s, a o h totip ones los ción de pro n y en ocasi btención y s de realiza la correcció so e c ro p étodos de o s m lo s n lo s a ; n lic p ja x a se e s materiale se trab En este libro s con nuevo as y como o ic d st rí sa a te b c s ra o lo lean, sus ca n las fases ionales com que se emp o se trabaja tanto tradic m , o je c la b ra m st e sa mu cción y en . También se de reprodu so con gran presión 3D im la o s paso a pa m o so c ro s e to m n u n ie n co ra, o procedim as en la ob do todo ello nes ofrecid do, presenta io a c a b a lic c p a x e e d las finales o colofón a enes. Com g á im e d ro núme sos reales. n varios ca ra st e u m se

ISBN 978-84-342-1033-2

Guía para diseñadores

Prototipado industrial Guía para diseñadores

Andrés Conejero Pedro Ayala Manuel Martínez Miguel Fernández

Pindustrial rototipado

s e r o d a ñ e is d a r a Guía p

o d a p i t o t Pro l a i r t s u ind

Presentación, 6 ÁMBITOS DE UTILIZACIÓN, 8 El diseño del futuro producto, 10 Desarrollo del concepto inicial, 12 Definición. Forma y apariencia, 14 Detalle, producción, montaje y funcionamiento, 16 La fase de evaluación y ensayos, 18 Estética, ergonomía y usabilidad, 20 Presentaciones y ensayos, 22

Su-

mario

LOS MATERIALES, 24 Pastas de modelar, 26 Yesos y sus variedades, 28 Papel y cartón, 30 Espumas rígidas, 32 La madera: formatos y tipos, 34 Plásticos y metales, 36 Resinas y sus aplicaciones, 38 Los elastómeros y sus utilidades, 40

PROCESOS DE OBTENCIÓN, 42 Conceptos básicos para empezar, 44 Planificación de la construcción, 46 Información 2D y 3D necesaria, 48 Proceso de modelado y vaciado, 50 Modelado con plantillas internas, 52 Modelado con plantillas externas, 54 Aterrajado, una técnica tradicional, 56 Ejemplo de aplicación de aterrajado, 58 La técnica del trabajo con láminas, 60 Cartón pluma y cartulina, 62 La manipulación del cartón pluma, 64 Plegado y curvado de lámina plástica, 66 El trabajo a partir de bloques, 68 Corte manual con hilo caliente, 70 Operaciones básicas en madera, 76 Mecanizado CNC: introducción, 78 Mecanizado CNC: fresado 2D y corte láser, 80 Mecanizado CNC: fresado 3D, 84 Mecanizado CNC: corte de espumas, 90 Mecanizado CNC: ejemplos de aplicación, 92 Tecnologías de impresión 3D, 94 Fotopolimerización: SLA, Multijet y Polyjet, 96 Extrusión F.D.M., 98

Extrusión de bajo coste, 100 Ejemplo de aplicación de la extrusión de bajo coste, 102 Compactación 3D Printing, 104 Compactación SLS (Sinterizado Selectivo Láser), 106 Compactación. Ejemplos de aplicación, 108 Ejemplos de aplicación. Varias tecnologías de impresión 3D, 110 Los diversos procesos de reproducción, 114 Moldes rígidos, diferentes tipos, 116 Moldes rígidos. Ejemplos de aplicación, 120 Moldes elásticos, diferentes tipos, 122 Colada bajo vacío, 128 Colada bajo vacío. Ejemplo de aplicación, 130 Termoformado, una técnica muy útil, 134 Laminado. Caso de aplicación, 142 Laminado. Papel maché, 144 Técnicas de unión y ensamblado, 146 Adhesivos más utilizados en el taller, 148 La importancia de los acabados superficiales, 154 La preparación de superficies, 156 El pintado de modelos y prototipos, 162 Otros procesos de acabado, 166 Acabados. Ejemplos de aplicación, 168

ESTUDIOS DE CASO, 172 Caso 1. Taburete Last Minute, 174 Caso 2. Foco Find Me, 178 Caso 3. Proyecto Rozetkus, 180 Caso 4. Maketikus, 182 Caso 5. Mooose, 184 Glosario, 188 Bibliografía, 191 Agradecimientos, 192

Diseño el

definición.

Forma y apariencia MODELOS PARA LA COMPROBACIÓN DE LA GEOMETRÍA 3D En el inicio de esta fase es muy común comprobar las dimensiones y la forma externa del diseño realizado por ordenador, a partir de modelos en espumas rígidas. Los block models o modelos macizos se producen siguiendo procesos que logran un buen acabado superficial como el mecanizado por control numérico. Esta primera comprobación es importante, ya que en el proceso de modelado por ordenador se pierde la noción de la escala real del diseño, por este motivo se realizan a escala 1:1.

Modelo a escala 1:1 del carenado de una moto. Modelada a mano con clay sobre el chasis para su digitalización posterior y fabricación de moldes para la producción de piezas en plástico. Proyecto realizado por Fuhtah prototipos para la empresa Metrakit.

MODELOS PARA LA CAPTURA DE INFORMACIÓN GEOMÉTRICA MEDIANTE EL ESCANEADO 3D Cuando se necesita capturar la información geométrica de un modelo o de un prototipo físico se recurre al escaneado 3D. Comúnmente, se utilizan modelos realizados en pastas de modelar, como el clay.

Modelo a escala 1:1 mecanizado por control numérico en espuma rígida del foco Rainbow, de Art Lebedev Studio.

MODELOS DE APARIENCIA O DE CONCEPTO Son representaciones físicas precisas de la apariencia del producto, pero no integran partes funcionales. Se utilizan en las evaluaciones de concepto en el ámbito del márketing. Aunque existen procesos de impresión 3D que pueden simular la apariencia de un producto, cuando se necesita un nivel de definición mayor hay que recurrir a otros procesos más específicos que se explicarán a lo largo de este libro.

Modelo de apariencia a escala para el proyecto de una cocina para el Instituto Tecnológico del Mueble de Valencia (AIDIMA). Modelo de apariencia del reloj Haptica, del diseñador David Chávez, realizado por la empresa de prototipado Reed Prototype & Machining, Inc.

Vaciado modelado y

Ejemplo de aplicación

de aterrajado

n esta doble página se describe el modelo de una pantalla de lámpara hecho en escayola, que luego se reproducirá en resina de poliuretano a partir de un molde de silicona. Se trata de obtener un máster de la pieza, para una pequeña tirada. Su gran diámetro en relación con su espesor hace difícil obtener la pieza por torneado a partir de un bloque, y el espesor de pared variable ha hecho descartar la técnica del termoformado de lámina plástica. Para el aterrajado de objetos huecos se emplea un macho, cuyo volumen creará el hueco, y sobre él se construye la pieza en material definitivo; para ello, hay que crear dos plantillas o cuchillas distintas.

8.0

4.0

1. Dibujo en corte de sección de la lámpara con los perfiles para las dos cuchillas: el interior para la arcilla y el exterior para la escayola. 2. Sobre un tablero se instala el eje de giro, en este caso de varilla roscada, y con unas tuercas se ajusta la altura de la cuchilla. Se ha puesto un relleno de espuma de poliestireno con estrías para facilitar la fijación de la arcilla. 3 y 4. Sobre el relleno de espuma se va incorporando la arcilla. Haciendo girar la cuchilla se revela dónde es necesario añadir más y dónde está completo el volumen. 5. El macho de arcilla terminado.

6 y 7. Normalmente, es necesario hacer varias mezclas de yeso hasta que la forma está completa. Se hace girar la terraja cada vez que se añade una nueva capa y con ello va apareciendo la forma de revolución. 8. Al cabo de unas horas, la arcilla se endurece y se contrae ligeramente y es fácil extraer la copia de escayola. Si se desea obtener múltiples copias, se puede hacer un macho permanente de escayola. 9. Imagen promocional del producto acabado. Lámpara “Reeno” del estudio de diseño La Mamba editado por Omelette-ed.

Bloques a partir de

MECANIZADO CNC EN SUBDIVISIONES COMPLEJAS Cuando se trabaja con piezas muy grandes y de forma compleja, se puede subdividir el objeto en múltiples partes. En este caso, el prototipo de la butaca Fingers, del estudio Nendo, para la empresa Gandia Blasco, fue necesario dividir la superficie formada por el asiento, el respaldo y los brazos en siete partes, y mecanizar cada una de ellas por las dos caras. El producto final se iba a fabricar por rotomoldeo de plástico, y el modelo en madera debía reproducir en lo posible el peso y el tacto hueco de la futura butaca, de modo que toda la superficie cónica exterior se forró con un contrachapado que envolvía la estructura.

1. Dos de las piezas del respaldo, en las que se observa el mecanizado de las caras delantera y trasera.

2 2. El contorno del respaldo se divide radialmente en cuatro partes que después se unen al asiento.

3 y 4. Dos vistas de uno de los brazos de la butaca. Para no añadir mucho peso al prototipo, se ahueca un poco la cara exterior.

5 y 6. Dos vistas del conjunto formado por asiento, brazos y respaldo. 7 y 8. Se aĂąade una estructura bajo el conjunto de piezas mecanizadas, que luego se forra con contrachapado para cerrar la superficie cĂłnica exterior.

9. Imagen promocional de la butaca Fingers. El prototipo fue realizado por P. Ayala.

la mpresión 3D

Fotopolimerización:

SLA, Multijet y Polyjet

PROCESO Y APLICACIÓN Este sistema consiste en solidificar una resina fotosensible por la exposición selectiva de luz ultravioleta. Existen varias tecnologías que se basan en este proceso: la Estereolitografía (SLA), la Multijet y la PolyJet. Las piezas fabricadas mediante estas tecnologías se utilizan para hacer presentaciones, dada la calidad de su superficie, o bien como patrones para realizar preseries en diversos procesos, por ejemplo la colada bajo vacío. También se usan para ensayos con fluidos, ya que la transparencia de las resinas empleadas lo permite.

Esquema del proceso de construcción de la tecnología estereolitográfica.

Prototipado de una jarra de Art Lebedev Studio. Cuerpo translúcido realizado en estereolitografía y tapa mecanizada por CNC en espuma.

Modelo de apariencia impreso en varios colores mediante la tecnología Polyjet.

Pieza construida mediante el sistema Multijet. Permite obtener grandes niveles de detalle y complejidad formal gracias a la eliminación de soportes de manera sencilla. Cortesía RePro 3D.

MATERIALES Los materiales que se utilizan con este sistema son, por lo general, resinas de características distintas en cuanto al color (incluso pueden ser transparentes) o la dureza (pueden imprimirse piezas flexibles). PROS Y CONTRAS La estereolitografía permite obtener, probablemente, las piezas de mejor calidad superficial de todos los sistemas de impresión 3D. Además, se pueden construir pequeños detalles: paredes de poco espesor, aristas vivas, y columnas altas, entre otros. Sin embargo, debido a la naturaleza del material, su exposición continuada a determinadas fuentes de luz, sobre todo la luz del Sol, propicia una degradación que modifica el aspecto y la resistencia de la pieza fabricada. Dependiendo de la geometría de la pieza, pueden necesitarse estructuras de soporte como sucede en otros procesos. El sistema de lecho completo obliga a incorporar soportes que sean del mismo material que el resto de la pieza, por lo que su extracción deja una marca que después hay que lijar, como el ejemplo del dibujo de la página anterior. No obstante, en el sistema Multijet, el material de soporte en base cera puede ser eliminado mediante el curado posterior de la pieza; y en la tecnología Polyjet, el material de soporte, similar a un gel, se quita fácilmente a mano o con agua.

Piezas realizadas en materiales flexibles mediante la tecnología Polyjet, que puede imprimir simultáneamente una gama amplia de materiales, desde caucho de dureza shore variable a rígido, y transparente a opaco. Cortesía RePro 3D.

la mpresión 3D

110

ejemplos de aplicación.

Varias tecnologías de impresión 3D SLS SLA Dibujo de explosión del conjunto base de carril por A. Conejero.

Pletina latón

ESTUDIO DE CASO: CARRIL ELECTRIFICADO Y SUS ELEMENTOS A continuación, se muestra la fabricación de un prototipo funcional, cuya apariencia corresponde a un sistema de bases de enchufe móviles sobre carril electrificado utilizado para realizar ensayos de precertificación, y para la presentación a empresas del sector interesadas en su explotación. Este caso supone una mejora de una versión previa patentada. Una vez validada la geometría externa a través de modelos en espuma (véase pág. 93), se pasa a la fase de diseño de detalle. En ella se recurre a tecnologías de impresión 3D, con las que se puede validar no solo el montaje sino también el funcionamiento y la apariencia final del diseño.

Vista en sección y frontal del conjunto.

A. Vista posterior del conjunto base del enchufe. Pieza interna guía y alojamiento de los contactos (fase, neutro y toma de tierra), realizado con el proceso SLS. B. Carcasa exterior tipo Schuko. Alojamiento de contacto de toma de tierra y tornillo de ensamblaje de todo el conjunto. Hecha con la tecnología SLA.

113

Modificación de la posición de las bases de enchufe por deslizamiento.

Gracias a sus reducidas dimensiones, el sistema está patentado también en su versión empotrada para tabiques de Pladur®.

Reproducción

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MOLDE DE MEMBRANA Para reproducir originales cuya forma desaconseja usar la técnica del colado en caja, como la descrita anteriormente, se puede hacer un molde compuesto por una membrana de caucho de silicona y una carcasa exterior rígida, que puede ser de yeso o de resina con fibra de vidrio. El objetivo es obtener un molde con la fidelidad de la reproducción de la silicona y la estabilidad que aporta el material rígido de la carcasa, sin necesidad de utilizar una gran cantidad de elastómero.

Esquema del proceso: sobre el modelo se aplica una capa de plastilina de espesor uniforme, y sobre esta una carcasa rígida. A continuación, se abre la carcasa para retirar la plastilina y se vuelve a cerrar. El hueco dejado por la plastilina se rellena, por colada, con silicona.

Aire

1 y 2. Se aplica la capa de plastilina. El espesor de esta capa es el que después adquirirá la silicona, por tanto, debe ser uniforme. Al forro de plastilina se le añade un tubo para la posterior colada de silicona, y una pequeña varilla en el punto más alto, que dejará una abertura de salida de aire. 3. En este caso, se hace una carcasa en yeso de dos partes.

125

4. Se registra la ubicación relativa del original y la carcasa exterior con una marca, pues un error de posición provocaría un espesor discontinuo de la membrana.

5. Se retira la plastilina y se pesa para calcular la cantidad de silicona que se necesitará en su lugar, teniendo en cuenta el peso específico de cada material. 6. Se cierra de nuevo la carcasa de yeso, se fija al tablero y se sellan las juntas. Con ayuda de un embudo se realiza la colada para llenar con silicona el hueco dejado por la plastilina. 7. Una vez fraguada la silicona se desmonta el molde, para lo cual hay que abrir la caja exterior y extraer el original.

8 y 9. Colada de resina de poliuretano y copia ya realizada en el molde.

Acabados los

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SMART BATE Nuevo concepto de bate inteligente diseñado por Nyasha Chawora para el juego de Rounders y Softbol, practicado en las escuelas de Inglaterra. Utiliza un acelerómetro de tres ejes integrado dentro del mango que puede medir la aceleración de la gravedad estática para detectar la inclinación, así como la aceleración dinámica resultante de un movimiento, impacto o vibración. Este modelo ha sido realizado por la empresa de prototipado Star Prototype.

1. El cuerpo principal se produjo por mecanizado CNC de un bloque de material ABS. © Star Prototype. 2. Posteriormente, se pegaron las dos partes individuales. © Star Prototype. 3 y 4. Se lijaron con cuidado a mano para eliminar las impurezas causadas por la máquina. Por último, se cromó el cuerpo principal para darle un aspecto distinto. © Star Prototype.

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5. El anillo y el mango están hechos de material de goma suave. Primero se imprimió un modelo maestro utilizando el proceso de impresión 3D SLA. Después, mediante el proceso de colada bajo vacío, se hizo una parte en material de caucho UPX8400. El logotipo de la empresa se tampografió sobre el anillo de goma negro. Y el remate del mango se mecanizó por CNC en polietileno de alta densidad y después se pintó. © Star Prototype.

c aso estudios de

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3. Se posiciona el bloque de madera en la fresadora CNC. 4. Se procede al desbaste inicial. 5. Pasada de acabado. 6. Mecanizado finalizado del manillar, aĂşn con los tacos de soporte. 7. Primer prototipo realizado en madera laminada y fresado por CNC.

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8 A

8. Prototipo de manillar montado en la bicicleta. 9. Manillar “Bullmoose” en diferentes acabados: en nogal-fresno (A), en nogal-fresno-nogal (B), y en fresno (C).

10. Acabado “Hulla 100” (www.mooosebrand.com).