Fabricació de prototips i maquetes mitjançant l’ús de tecnologies additives

Josep Vinyes Àvila Idealab: Design&Prototypes info@idealab.es www.idealab.es Tel. +34 93 859 04 57 Mob. +34 686 350 182 Fabricació de prototips i maquetes mitjançant l’ús de tecnologies additives

Què és un prototip? Producte en estadis de desenvolupament i que per tant no està llest per la seva producció massiva. PROTOTIPS

Un producte pot estar en estadis de desenvolupament molt avançats, però si aquest no està llest per la seva producció en sèrie es continuarà considerant com a prototip. PROTOTIPS

La producció en sèrie no implica la producció de mil.lions d’unitats, tan sols implica una repetitibilitat en el producte final. PROTOTIPS Primer ordinador Apple any 1976, producció: 200 unitats, preu de venta any 1976: 600$, disseny de Stephen Wozniak.

Necessitem un prototip? Un problema endèmic de la innovació es que és impossible d’innovar sense equivocar-se. Els prototips són un instrument que ens ajuda a reduir riscos d’error i detectar millores en els nostres projectes. Els germans Wright varen crear varis prototips d’avió abans no varen aconseguir volar amb el Flyer I. PROTOTIPS

Detecció d’errors de disseny mitjançant un prototip Els prototips en poden ajudar a detectar possibles errors de disseny o conceptuals i ajudar-nos a estalviar molts diners en la fabricació d’un producte. PROTOTIPS Ratolí “ergonòmic” amb botons especials pel dit polze, els esquerrans no poden utilitzar aquests botons...

Què significa RP&M? Aquesta és l’abreviació de Rapid Prototyping &Manufacturing, aquesta és una forma comercial per anomenar les tecnologies additives. Definim més a fons el significat de RP i de RM... RP&M

Què significa RP? • RP: Rapid PROTOTYPING. Segons la definició de prototip que hem fet anteriorment, el rapid Prototyping és la fabricació de un prototip ràpid mitjançant les tecnologies additives, això vol dir que el producte obtingut en cap cas està pensat per que arribi a l’usuari final. RP&M NOVOVENT: Primer Prototip INNOVO – Dissenyador: Josep Vinyes Tecnologia: SLS - Producció: 2 unitats

Què significa RM? • RM: Rapid MANUFACTURING. Aquesta definició ens implica que el producte fabricat mitjançant les tecnologies additives arribarà a mans del consumidor, és a dir, s’utilitzen aquestes tecnologies per la producció massiva del producte final. RP&M Carcassa lector d’empremta dactilar Tecnologia: SLS – Producció: 300 unitats

Com funcionen les tecnologies additives? Per tal de poder treballar amb les tecnologies additives es requereix un fitxer amb format CAD tridimensional, aquest fitxer s’ha de convertir a un format llegible per la màquina que fabricarà el model, el format més usual sol ser .stl , la màquina llegeix aquest format i mitjançant diferents processos el transforma en un model físic. TECNOLOGIES ADDITIVES • Format nadiu CAD 3D: • Solidworks • Pro/Engineeer • Catia • Unigraphics • AutoCAD • STEP • IGS • ...

Com funcionen les tecnologies additives? Per tal de poder treballar amb les tecnologies additives es requereix un fitxer amb format CAD tridimensional, aquest fitxer s’ha de convertir a un format llegible per la màquina que fabricarà el model, el format més usual sol ser .stl , la màquina llegeix aquest format i mitjançant diferents processos el transforma en un model físic. TECNOLOGIES ADDITIVES • Fit xer de triangulació: • STL

Com funcionen les tecnologies additives? Per tal de poder treballar amb les tecnologies additives es requereix un fitxer amb format CAD tridimensional, aquest fitxer s’ha de convertir a un format llegible per la màquina que fabricarà el model, el format més usual sol ser .stl , la màquina llegeix aquest format i mitjançant diferents processos el transforma en un model físic. TECNOLOGIES ADDITIVES • Maquina de fabricació additiva: • Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) • Estereolitografia (SLA) • Deposició de fil fos (FDM) • Polyjet • DLP • DLMS • ...

Quins paràmetres afecten la qualitat del prototip final? • L’obtenció de un bon prototip depèn bàsicament de cinc factors clau: • La qualitat del fitxer de triangulació (.stl) enviat a màquina • La dimensió del llescat de màquina (stepping) • La qualitat del material utilitzat per el fabricant. • L’estat de la màquina utilitzada per la fabricació. • La qualitat del post processat. TECNOLOGIES ADDITIVES TECNOLOGIES ADDITIVES

Els fitxers amb format STL Tal i com hem dit el format que llegeixen totes les màquines de fabricació additiva és el .stl. L’arxiu .stl conté l' informació de la geometria transformada a triangles i la direcció de la normal del triangle. La qualitat del model obtingut depèn en gran part de la bona qualitat del fitxer de triangulat generat. TECNOLOGIES ADDITIVES

Qualitat dels fitxers .STL Un fitxer .stl ben definit ens permetrà la creació de una peça amb una gran fidelitat al model original, en canvi una mala generació del fitxer .stl ens desvirtuarà la geometria original i pot donar lloc a resultats inesperats o no satisfactoris. TECNOLOGIES ADDITIVES Esfera original fitxer de CAD Fitxer .stl amb desviació de 1mm Fitxer .stl amb desviació de 0.1mm

Qualitat dels fitxers .STL Tots els bons programes de disseny tridimensional disposen de l’opció de generació del fitxer .stl, normalment aquests programes ens permeten variar alguns paràmetres per generar un fitxer .stl amb una definició adequada. El més usual és que et permetin canviar l’alçada cordal i/o la tolerància de triangulació. TECNOLOGIES ADDITIVES

El stepping (llescat , intercapat, etc...) La majoria de màquines del mercat treballen amb el que s’anomena tecnologies additives per capes, això vol dir que l’arxiu amb format .stl que enviem a màquina és “llescat” amb capes de dècimes o micras de gruix (depenent de la tecnologia utilitzada). TECNOLOGIES ADDITIVES

Efecte del “stepping” en les peces fabricades amb tecnologies additives: El fet que la màquina necessiti fabricar les peces per capes implica que la geometria patirà una deformació en forma de línies de nivell, més o menys acusades depenent de la precisió de la màquina. Aquestes línies acostumen a ser de dècimes de mil·límetres en la majoria de tecnologies additives, excepte en alguns casos de micro-manufactura en els que les línies de nivell són gairebé inapreciables. Aquest factor, juntament amb la qualitat del fitxer .stl utilitzat per fabricar la peça serà el que determinarà la qualitat final de la peça fabricada. TECNOLOGIES ADDITIVES

Qualitat del post processat La majoria de tecnologies additives utilitzen un “material de suport” per sostenir les parts de les peces que queden en voladís o amb negatiu. Aquests suports s’eliminen mitjançant processos manuals, tèrmics o químics, que poden alterar la qualitat superficial de la peça. Això s’ha de tenir en compte a l’hora de fabricar les peces, cal determinar quina és la cara vista, quines són les cotes critiques, etc... TECNOLOGIES ADDITIVES

Qualitat del material utilitzat per la fabricació i estat de la màquina El material utilitzat per fabricar les peces amb tecnologies additives acostuma a ser molt car, per tant els fabricants recomanen de barrejar material “utilitzat” amb material de nova aportació. Aquesta barreja de material nou amb material reutilitzat fa que la qualitat superficial de la peça se’n resenteix i crea efectes com per exemple la pell de taronja o inclús pot arribar a passar que algunes capes no quedin ben soldades entre elles. A aquest fet cal sumar-li l’estat de calibració de la màquina, que usualment se sol tendir a deixar-lo força descuidat. TECNOLOGIES ADDITIVES

Que es pot fer amb les tecnologies additives? Les tecnologies additives es poden classificar en tres grans grups segons el tipus de material que utilitzen : Material Orgànic Material Polimèric Material Metàl·lic Ceres Poliamida Crom Cobalt Poliamida amb FV Acer Inoxidable MATERIALS Poliamida amb FC Titani Fotopolimers Coure Poliamida amb AL Bronze Poliestirè Altres PEEK PMMA

Com es processen aquests materials? Segons la classificació vista anteriorment hi ha varies tecnologies per processar diferents materials, a “grosso modo” tenim: • Orgànics: • Microinjecció de cera fosa - Solidscape, 3D Systems... • Polimèrics: • Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) - EOS, 3D Systems... • Estereolitografia (SLA) – 3D Systems • Polyjet – Objet • DLP - Envisiontec • Deposició de fil fos (FDM) – Stratasys... • Pols adhesivada – Z Corp TIPUS DE TECNOLOGIA • Metàl.lics: • Sinteritzat de Crom Cobalt - EOS, MCP , Arcam.. • Sinteritzat d’acer Inoxidable – EOS, MCP • Sinteritzat de Titani - MCP, Phenix, Arcam • Sinteritzat de Coure i bronze – EOS, MCP, Arcam... • Altres: zirconi, mullite, inconel... – Phenix , MCP

La injecció de cera Les màquines d’injecció de cera disposen d’uns capçals d’injecció de cera fosa que es diposita en capes d’entre 12,7micres (0.0127mm) y 76 micres (0.076mm). L’intercapat determina la qualitat de les peces en aspecte de rugositat, la precisió ve determinada pel tamany del punt d’injecció, que acostuma a ser d’entre 12.5 micres a 25.4 micres, depenent de cada fabricant. Aquestes màquines s’utilitzen per crear patrons per fosa a la cera perduda, per tant s’ha de tenir en compte la post contracció del material fondre. Les principals industries que utilitzen aquestes tecnologies són: TIPUS DE TECNOLOGIA - INJECCIO DE CERA • Joieria: Patrons de joies per fosa de plata, or i metalls nobles • Mèdic / Ortoprotèsic: Patrons d’implants per fosa de titani o inox. • Defensa / aeronàutica: Creació de patrons per fosa a la cera perduda • PROS: • Alta definició de peça, gairebé no s’aprecia l’intercapat. • Llibertat de disseny, es pot fabricar geometries “impossibles”. • Fabricació de patrons en poques hores. • CONTRES: • No hi ha gaire varietat de materials (cera o fotopolimers fungibles) • Les màquines estan pensades per fabricar peces de petit tamany.

La injecció de cera TIPUS DE TECNOLOGIA - INJECCIO DE CERA

El Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) Aquestes màquines treballen mitjançant un llit de pols d’un polímer (normalment Poliamida o Poliamida amb carregat de FV O d’al.lumini) i un feix Laser “solda” les diferents capes de materials entre elles. La rugositat superficial com en totes aquestes tecnologies la defineix l’intercapat que acostuma a ser de 0,1 a 0,15mm i la precisió de la peça ve determinada pel feix laser i la granulometria de la pols que acostuma a ser d’entre 0.5 a 0,8mm depenent de la màquina i material. TIPUS DE TECNOLOGIA Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) • PROS: • Peces en plàstic completament funcionals • Llibertat de disseny. • Fabricació en poques hores . • CONTRES: • Poca varietat de materials (Poliamida, PEEK, Poliestiré...) • Acabat superficial molt rugós, si es vol utilitzar com a peça final s’ha de fer un acabat superficial posterior a la fabricació • Les màquines arriben a fabricar peces de fins a 690mm de llargada...

El Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) TIPUS DE TECNOLOGIA Sinteritzat Laser Selectiu (SLS)

El Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) TIPUS DE TECNOLOGIA Sinteritzat Laser Selectiu (SLS) Procés de Sinteritzat Laser Selectiu (SLS)

Esterolitografia (SLA) Aquestes màquines treballen mitjançant un medi líquid fotosensible on un feix laser o un feix de UV solidifica el líquid en les zones de figura. La rugositat superficial és més acurada que amb el SLS, però les peces obtingudes acostumen a ser més fràgils. Es poden obtenir peces amb més detall que amb la SLS. Hi ha més varietat de materials que amb el SLS, inclús es poden fabricar prototips que s’assemblen al PC. • PROS: • Peces en plàstic funcionals “amb compte”. • Llibertat de disseny. • Fabricació en poques hores . • Varietat de materials. • Bon acabat superficial en comparació amb el SLS. • Millor detall que amb la SLS. • Les màquines poden fabricar peces molt grans (1480mm de llargada) TIPUS DE TECNOLOGIA Estereolitografia (SLA) • CONTRES: • Els materials al ser fotosensibles amb el temps es degrada amb la llum. • Alguns materials són molt fràgils i no permeten el seu muntatge. • Preu del material elevat. • Creació de suports per aguantar les zones en voladís que s’han de treure manualment (possibilitat de marques).

Esterolitografia (SLA) TIPUS DE TECNOLOGIA Estereolitografia (SLA)

Esterolitografia (SLA) TIPUS DE TECNOLOGIA Estereolitografia (SLA) Màquina de estereolitografia a Materialise (Belgica)

PolyJet Aquestes màquines treballen mitjançant un capçals injectors de resina fotosensible que unes lampares UV solidifiquen en el mateix instant de l’impresió. Hi ha força varietat de materials, inclosos materials tous similars a gomes , i depenet de la màquina es podrien arribar a fabricar prototips de bi-injecció o sobreinjectats. Els materials tenen una fragilitat similar a la SLA però no arriben a tenir una precissió tan gran com aquesta tecnologia. Són més fàcils de netejar que el SLA o el SLS, però el material fungible és mes car. TIPUS DE TECNOLOGIA PolyJet • PROS: • Peces en plàstic funcionals “amb compte”. • Llibertat de disseny. • Fabricació en poques hores . • Varietat de materials. • Les peces són fàcils de netejar, no requereixen un gran post procés. • CONTRES: • Els materials al ser fotosensibles amb el temps es degrada amb la llum. • Preu del material molt elevat. • Limitació de dimensions, llargada màxima és de 500mm aprox. • Acabat superficial més rugós que les SLA.

PolyJet TIPUS DE TECNOLOGIA PolyJet

PolyJet TIPUS DE TECNOLOGIA PolyJet Procés de fabricació amb tecnologia Polyjet

Digital LigthProcesing Aquestes màquines treballen mitjançant medi líquid fotosensible i una matriu de miralls projecten llum UV sobre les zones a solidificar. És una tecnologia molt precissa i depenent de la màquina gairebé no s’aprecia el intercapat, per tant l’acabat superfical és molt bó. Les màquines no poden fabricar peces de gran tamany i el preu del material és molt elevat. Les peces fabricades amb aquesta tecnologia acostumen a ser fràgils i normalment no s’utilitzen per ensamblatges. TIPUS DE TECNOLOGIA DLP • PROS: • Gran precisió i bon acabat superficial. • Llibertat de disseny. • Fabricació en molt poques hores . • Les peces són fàcils de netejar, no requereixen un gran post procés. • CONTRES: • Els materials al ser fotosensibles amb el temps es degrada amb la llum. • Preu del material molt elevat. • Només vàlid per fabricar peces petites, la màxima llargada és de 300mm • Peces en plàstic no funcionals si es vol un ensamblatge • Poca varietat de materials.

Digital LigthProcesing (DLP) TIPUS DE TECNOLOGIA DLP

Digital LigthProcesing (DLP) TIPUS DE TECNOLOGIA DLP Fabricació de 3 peces mitjançant DLP a EuroMold

FusedDepositionModelling (FDM) La deposició de fil fós treballa mitjançant un capçal que va dipositant un fil de material polimèric fos (normalment ABS) sobre l’àrea a fabricar. Les peces fabricades amb aquest sistema són fragils, la seva qualitat no és gaire alta (depén de la mida del cordo de fil) i el seu preu en comparació als resultats obtinguts és elevat. Aquesta tecnologia està força estesa degut al preu de les màquines de FDM, ja que són les més econòmiques del mercat. • PROS: • Preu de màquina molt econòmic (la petita aprox. 12000€) • Llibertat de disseny. • Fabricació en molt poques hores . • No cal neteja de les peces, la tecnologia gairebé no crea suports. TIPUS DE TECNOLOGIA FDM i Z-Corp • CONTRES: • Acabat superficial molt rugós. • Tolerància dimensional molt alta. • Tecnologia “lenta” respecte dels resultats obtinguts.

Z-Corp Aquesta tecnologia fa servir un llit de pols de material polimèric o ceràmic i uns capçals injecten adhesiu en les àrees que han de solidificar-se. La qualitat de les peces no és molt alta i l’acabat superficial és força rugós, les peces quan surten de màquina són molt fràgils i requereixen d’un post procés per poder-les manipular sense risc de trencar-les. Es poden fabricar models amb colors, ja que els mateixos capçals que injecten l’adhesiu poden injectar també tinta . • PROS: • Acabat de la peça amb color • Llibertat de disseny. • Rapidesa de fabricació. • Possibilitat de fabricar amb material refractari. TIPUS DE TECNOLOGIA FDM i Z-Corp • CONTRES: • Acabat superficial molt rugós. • Tolerància dimensional molt alta. • Peces molt fràgils, requereixen d’un post-procés. • Material molt car. • Dimensions de les peces max. 381 mm

El Sinteritzat Laser Metal.lic (DMLS) Aquesta tecnologia treballa exactament igual que el SLS però amb la diferència que el material que solda és una pols metal.lica en lloc d’un polímer. Depenent de la tecnologia i del material el resultat obtingut és més o menys porós i l’acabat superficial depén com en totoes aquestes tecnologies del tamany de la granulometria, del intercapat de la màquina i del tamany del punt del laser. Les peces fabricades amb DMLS s’utilitzen principalment en l’industria mèdica (protessis, ortoprotèsic, etc.) fabricació de postissos per motlles d’injecció de plàstics i per l’industria militar. Els materials més usuals són el Titani i el acer inoxidable, però també s’utilitza el acer Crom Cobalt, Coure, Bronze, Zirconi i altres metalls. TIPUS DE TECNOLOGIA Sinteritzat Laser Metal.lic (DMLS) • PROS: • Peces fabricades directament en metall • Llibertat de disseny. • Fabricació en poques hores . • CONTRES: • Poca varietat de materials (Acer, Titani, Coure, CrCo, Bronze...) • Acabat superficial força rugós, cal un post-mecanitzat per utilitzar-la com a postís per un motlle. • Materials extremadament cars.

El Sinteritzat Laser Metal.lic (DMLS) TIPUS DE TECNOLOGIA Sinteritzat Laser Metal.lic (DMLS)

Com identificar la necessitat del prototip i selecció de la tecnologia més adient? 1 – Identificar la necessitat: Realment necessitem un prototip? • Dubtes funcionament: Prototip funcional • Dubtes estètics: Prototip cosmètic • Dubtes ergonòmics: Prototip volumètric • Dubtes mercantils: Prototips cosmètic funcionals (pre-sèrie) • Presentació del producte: Prototip cosmètic SELECCIÓ DE LA TECNOLOGIA

Com identificar la necessitat del prototip i selecció de la tecnologia més adient? 1 – Identificar la necessitat: Realment necessitem un prototip? 2 – Identificar el material del prototip: Quines necessitats té el prototip? • Resistència mecànica i densitat (o no). • Resistència tèrmica. • Conductivitat o aïllament elèctric • Resistència a la corrosió o ambients hostils. • Hermeticitat • Impacte visual (textures, acabats, colors....) SELECCIÓ DE LA TECNOLOGIA

Com identificar la necessitat del prototip i selecció de la tecnologia més adient? 1 – Identificar la necessitat: Realment necessitem un prototip? 2 – Identificar el material del prototip: Quines necessitats té el prototip? 3 – Identificar el procés: Com he de fabricar el prototip? • Es necessari fabricar-lo amb tecnologies additives? • Metàl·lic o polimèric? • Quines dimensions té el meu prototip? • Quina tolerància dimensional necessito? • Quin és el nivell d’acabat superficial que vull aconseguir? • Requeriments especials (resistència química, conductivitat...)? SELECCIÓ DE LA TECNOLOGIA

Que ens poden aportar les Tecnologies Additives en el nostre producte? • Reducció de costos per fabricació de petites sèries. • Reducció d’errors de disseny i fabricació. • Llibertat de disseny i modificació dels models. • Avantatge competitiu (ser el primer a treure un producte). • Promoció del producte (utilització de noves tecnologies). RESUM

IDEALAB Prototypes • Disseny de producte industrial. • Assessoria i Fabricació de RP&M amb Tecnologies Additives. • Projectes claus en mà. IDEALAB Prototypes Josep Vinyes Àvila Avinguda Generalitat,33 08570 Torelló Tel. +34 93 859 04 57 Mob. +34 686 350 182 Email: info@idealab.es www.idealab.es

GRACIES PER LA VOSTRA ASSISTÈNCIA. IDEALAB Prototypes Josep Vinyes Àvila Avinguda Generalitat,33 08570 Torelló Tel. +34 93 859 04 57 Mob. +34 686 350 182 Email: info@idealab.es www.idealab.es

Fabricació de prototips i maquetes mitjançant l’ús de tecnologies additives