Desarrollo de un material didáctico orientado a las tecnologías de fabricación aditiva

ESCUELA: Escuela de Ingenierías Industriales y Civiles TITULACIÓN: Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarollo de Productos Trabajo de Fin de Grado DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA AUTOR: Alejandro Gutiérrez Barcenilla TUTOR: Pedro Manuel Hernández Castellano CURSO ACADÉMICO: 2015-2016 Desarrollo' de' un' material' didáctico' orientado' a' las' tecnologías'de'fabricación'aditiva.' Índice Capítulo 1 Introducción .................................................................................. 7! 1.1 Introducción .................................................................................................... 9! 1.2 Objeto del proyecto .......................................................................................... 9! 1.3 Peticionario ....................................................................................................10! 1.4 Justificación y alcance ...................................................................................10! 1.5 Contenido del proyecto ...................................................................................11! 1.6 Resumen ........................................................................................................12! 1.7 Abstract ..........................................................................................................17! Capítulo 2 Antecedentes ...............................................................................23! 2.1 Material didáctico ...........................................................................................25! 2.2 Introducción a la Fabricación Aditiva ..............................................................26! 2.3 Procesos de fabricación .................................................................................26! 2.4 Historia y adopción de la Fabricación Aditiva ..................................................28! Referencias ..........................................................................................................32! Capítulo 3 Estudio de la Fabricación Aditiva ..................................................33! 3.1 Evolución del término .....................................................................................35! 3.2 Estandarización de la FA .................................................................................36! 3.2.1 Introducción .......................................................................................................36! 3.2.2 Esquema de estandarización ...........................................................................37! 3.2.3 Beneficios de la estandarización para la FA ...................................................38! 3.3 El proceso de Fabricación Aditiva ...................................................................39! 3.3.1 CAD ....................................................................................................................40! 3.3.2 Conversión a .STL .............................................................................................41! 3.3.3 Slicer ..................................................................................................................42! 3.3.4 Fabricación ........................................................................................................43! 3.3.5 Post-Procesado .................................................................................................44! 3.3.6 Aplicación ..........................................................................................................44! 3.4 Clasificación de procesos .............................................................................. 45! 3.5 Ventajas y Desventajas de FA ........................................................................ 47! 3.5.1 Ventajas .............................................................................................................47! 3.5.2 Desventajas .......................................................................................................50! Referencias ......................................................................................................... 53! Capítulo 4 Análisis en profundidad de las 7 categorías de FA ........................55! 4.1 Fotopolimerización en tanque (VAT Photopolymerisation) ..............................57! 4.2 Chorro de material (Material Jetting) ..............................................................64! 4.3 Extrusión de material (Material Extrusion) ...................................................... 70! 4.4 Fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion) ............................................... 75! 4.5 Chorro de aglutinante (Binder Jetting) ........................................................... 80! 4.6 Laminación de hojas (Sheet Lamination) ........................................................ 85! 4.7 Deposición de energía dirigida (Directed Energy Deposition) .......................... 90! Referencias ......................................................................................................... 95! Capítulo 5 Impacto, Estado y Futuro de la FA .................................................99! 5.1 Industria .........................................................................................................99! 5.2 Consumidor ..................................................................................................105 ! 5.3 Profesionales ...............................................................................................105! Referencias ........................................................................................................109! Capítulo 6 Selección de tecnología en el desarrollo de un producto .............111! 6.1 Consideraciones para utilizar FA ...................................................................113! 6.1.1 Consideraciones de diseño ............................................................................113! 6.1.2 Consideraciones del material .........................................................................115! 6.1.3 Consideraciones de sostenibilidad ................................................................116! 6.1.4 Consideraciones de negocio ..........................................................................117! 6.2 Diagrama de flujo para utilizar FA .................................................................118! Referencias ........................................................................................................123! Capítulo 7 Elaboración del material didáctico ..............................................125! 7.1 Elementos del documento .............................................................................128! 7.2 Soporte de Presentación ...............................................................................130! 7.3 Contenido .....................................................................................................138! Referencias ........................................................................................................146! Capítulo 8 Conclusión ..................................................................................147! 8.1 Conclusión ....................................................................................................149! Anexos ........................................................................................................151! CAPÍTULO 1 Introducción Capítulo 1 Introducción 1.1 Introducción El origen de este trabajo se encuentra enmarcado en el desarrollo de un proyecto de innovación educativa y renovación metodológica para el diseño y fabricación de recursos didácticos del Grupo de Innovación Educativa en Ingeniería de Fabricación (GIEIF). El objetivo principal es que estos materiales pudieran ser usados principalmente en las diferentes asignaturas del área de conocimiento de Ingeniería de los Procesos de Fabricación, o en algunas otras complementarias para conseguir mejorar la coordinación horizontal y transversal en los nuevos títulos de grado. Bajo esta línea de trabajo, se plantea la elaboración un material didáctico orientado a las tecnologías de fabricación aditiva. La fabricación aditiva, comúnmente conocida como “impresión 3D” ha sido estudiada y desarrollada durante más de 30 años. Al contrario que la fabricación sustractiva tradicional este proceso se encarga de generar geometrías mediante la adición de material capa a capa. Debido a los adelantos conseguidos en los últimos años, estas tecnologías están en auge tanto en el sector empresarial como a nivel de consumidor. Sin embargo existen una gran variedad de procesos y aplicaciones para los mismos, así como diversas limitaciones respecto a las tecnologías tradicionales. Es por esto, que se considera de vital importancia introducir dichas tecnologías en el proceso de formación de los estudiantes de la escuela de Ingenierías Industriales y Civiles de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. 1.2 Objeto del proyecto Bajo la premisa de introducir la fabricación aditiva en el proceso formativo de los estudiantes de ingeniería de la ULPGC, la finalidad de este Trabajo de Fin de Grado es: •Estudiar los orígenes y el estado de estas tecnologías. •Analizar el proceso de utilización de estas tecnologías •Estudiar en profundidad y analizar las diferentes tecnologías de fabricación aditiva •Analizar el impacto y futuro de estas tecnologías. 9 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA • Analizar y estructurar un proceso de selección de la tecnología más adecuada en función de los requerimientos de la pieza en cada fase de diseño. Para así, desarrollar y producir un material didáctico interactivo, que sirva para la docencia, tanto para impartir las clases como para el posterior estudio autónomo por parte de los estudiantes. 1.3 Peticionario Este trabajo de fin de título, TFT, es solicitado por la EIIC de la ULPGC como requisito imprescindible para finalizar la titulación de Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de productos. Tal y como se refleja en el capítulo II del <<Reglamento para la Realización y Evaluación de Trabajos de Fin de Título>> de la EIIC de la ULPGC, se!considera como Trabajo Fin de Título, a los efectos del presente Reglamento y de conformidad con los Estatutos de la ULPGC, la asignatura que consiste en el desarrollo de un trabajo relativo a las competencias propias de la titulación, realizado de forma autónoma e individualizada por un estudiante universitario, bajo la orientación de un tutor académico que actuará como dinamizador y facilitador del proceso de aprendizaje.! El objetivo es elaborar un trabajo en el que el estudiante universitario desarrolle las competencias y los conocimientos adquiridos, teóricos y prácticos como culminación de sus estudios y como preparación para el desempeño futuro de actividades profesionales en el ámbito correspondiente a la titulación obtenida. 1.4 Justificación y alcance Desde el Grupo de Investigación de Procesos de Fabricación, se ha detectado una carencia en el espacio de las tecnologías de fabricación aditiva que cada vez son más importantes a nivel industrial. Debido a esto y en colaboración con el GIEIF se ha decidido que sería de gran interés la realización de un material didáctico dedicado a estas tecnologías en particular. Estos materiales didácticos surgen como una medida de implantación para las nuevas estrategias y soluciones docentes orientadas a la adaptación de materias al EEES (Espacio Europeo de Educación Superior). 10 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 El alcance de este TFT comienza con la búsqueda de información sobre la Fabricación Aditiva. Posteriormente será organizada y analizada, justificando así el diseño y la información dispuesta en el material didáctico. Toda esta información será debidamente sintetizada y recogida en la presente memoria del proyecto. 1.5 Contenido del proyecto Como se viene describiendo a lo largo del documento el proyecto consta principalmente de dos partes. La elaboración de ambas es simultánea ya que en la memoria se recogerá toda la información analizada y justificada para confeccionar la otra parte del TFG, el Material Didáctico. A su vez en la memoria también se recogerá la estructura del material, así como las mecánicas de interacción con el mismo. Por tanto, el TFG constará de una memoria en la que se describe el proyecto, un resumen -tanto en español como en inglés-, un cartel explicativo y el propio material didáctico. La memoria contendrá los siguientes apartados: • Índice • Introducción • Antecedentes o Base introductoria a los materiales didácticos. o Base introductoria a la fabricación y el desarrollo de la Fabricación Aditiva. • Objeto del trabajo  o Estudio de la Fabricación Aditiva. o Análisis en profundidad de las tecnologías de Fabricación Aditiva. • Solución adoptada  o Análisis Impacto y Futuro de la Fabricación Aditiva.  o Proceso de selección de tecnología adecuada en función de la pieza y su uso. o Elaboración del Material didáctico. • Conclusiones • Bibliografía  • Anexos o Material Didáctico. 11 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA 1.6 Resumen Este trabajo de fin de título, TFT, es solicitado por la EIIC de la ULPGC como requisito imprescindible para finalizar la titulación de Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de productos. El origen de este trabajo se encuentra enmarcado en el desarrollo de un proyecto de innovación educativa y renovación metodológica para el diseño y fabricación de recursos didácticos del Grupo de Innovación Educativa en Ingeniería de Fabricación (GIEIF). El objetivo principal es que estos materiales pudieran ser usados principalmente en las diferentes asignaturas del área de conocimiento de Ingeniería de los Procesos de Fabricación, o en algunas otras complementarias para conseguir mejorar la coordinación horizontal y transversal en los nuevos títulos de grado. Desde el Grupo de Investigación de Procesos de Fabricación, se ha detectado una carencia en el espacio de las tecnologías de Fabricación Aditiva que cada vez son más importantes a nivel industrial. Debido a esto se ha decidido que sería de gran interés la realización de uno de estos materiales didácticos dedicado a estas tecnologías en particular. Bajo la premisa de introducir la fabricación aditiva en el proceso formativo de los estudiantes de ingeniería de la ULPGC, la finalidad de este Trabajo de Fin de Grado es: • Estudiar los orígenes y el estado de estas tecnologías. • Analizar el proceso de utilización de estas tecnologías • Estudiar en profundidad y analizar las diferentes tecnologías de fabricación aditiva • Analizar el impacto y futuro de estas tecnologías. • Analizar y estructurar un proceso de selección de la tecnología más adecuada en función de los requerimientos de la pieza en cada fase de diseño. Para así, desarrollar y producir un material didáctico interactivo, que sirva para la docencia, tanto para impartir las clases como para el posterior estudio autónomo por parte de los estudiantes. El trabajo consta principalmente de dos partes. La elaboración de ambas es simultánea ya que en la memoria se recoge toda la información analizada y justificada para confeccionar la otra parte del TFG, el Material Didáctico. A su vez en la memoria 12 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 machinery and compatible materials; usages and applications. To finish up with this section of the project report, a comprehensive comparison between AM and Traditional Manufacturing has been made. Therefore, advantages and desadvantages could be pointed out and summarized as the following: Advantages Disadvantages -Complex geometry without additional costs -Design Freedom. -Customizable objects. -Material Optimization -Innovation capability - “Time to market” reduction -Short series production made profitable - 4.0 Industry trigger. -Democratization of fabrication - Low productivity capacity - Low manufacturing ratios - Postprocesses requirement - Low fabrication volume - Material limitations and formats limitations - Still immature and underdevelopment technologies - Lack of solid worldwide accepted Standarization system Right after studying the knowledge that will compound the theoretical principals disposed on the teaching material, the global impact of AM has been analysed. The purpose of this analysis is to demonstrate the potential of AM to the students, so that it motivates them towards their professional future. Due to this, it is not just focused towards the industrial sector, where the amount of AM skilful professionals is on increasing demand. The scope is wider and also faced to the impact these technologies are having on the consumers and the engineers as individuals. Opening a wide new variety of business opportunities and increasing the chances of being a successful entrepreneur. Another tool developed and produced during this project has been the design of a workflow diagram that would help students determine if their projects could potentially be produced by AM in a profitable way. In addition, they would have the ability of quickly compare and choose the most suitable process in each phase of the product 19 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA development. In order to back up the selection process, some other considerations are also provided to the students. These are design, material, sustainability and business considerations, and they are essential to efficiently select and exploit the needed AM process. Lastly, after finishing with the report, it is time to show how the teaching material has been produced. As stated before, the planning and production has been made at the same time as the report, along the whole project. The graphic design guidelines were previously presented by the IMEEG, therefore the homogeneity across all the teaching materials of the group is maintained. This leads into a better corporative image of both the group and ULPGC. Previous to stablishing the document structure, as in any other design process, there has been a study of what is a teaching material and what are the requirements it should have. A teaching material is an element that reunites resources to make the learning process easier. This is possible because these resources stimulate the analytic capacity and make the students think over the studied topics. With the aim of making navigation around the document easier and the learning process much more intuitive, the selected platform for creating the teaching material has been “Ibooks Author”. The program presents many important features. The electronic document adapts its resolution and size automatically depending on the device it is being displayed on. The fact of it being a digital file gives interactive capabilities that regular paper directly could not. Paper is only capable of compiling information in different volumes. On the other hand, digital files give the chance of setting different levels or layers of information. Into the bargain, the graphic elements are not just simple and static photographs. This particular software, has the ability of adding widgets –videos, 3d models, quick tests, etc.- that increase the interactivity. In spite of of seeming really complex, the user interface is light and simple. It uses smartphone apps alike mechanics, making the user capable of navigating around in an innate way. In other words, it invites the user to touch and dive into the document. So students can navigate seamlessly through the document selecting how deeply into the subjects they go. 20 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 In conclusion, it is considered that the project goals have been accomplished. Information has been carefully analysed and synthetized, so as the way it is displayed on the document. As a result, a suitable tool for education has been produced, a teaching material that can be use both during lectures and for the autonomous study of the students. 21 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA CAPÍTULO 2 Antecedentes Capítulo 2 Antecedentes 2.1 Material didáctico Para la elaboración del material didáctico se seguirán las líneas planteadas por el GIEIF, manteniendo así la homogeneidad tanto en la estructura como en las líneas de diseño gráfico. Para establecer estas bases se ha realizado previamente un análisis bibliográfico de qué es un material didáctico y que características debe presentar. Un material didáctico es un elemento que reúne recursos para facilitar el aprendizaje del alumno. Esto se consigue debido a que dichos recursos estimulan la capacidad analítica y motivan la reflexión sobre la temática tratada. Pablo&Alberto&Morales&Muñoz define material didáctico en su libro&Elaboración&de& material&didáctico&(2012), en los siguientes términos: “El conjunto de medios materiales que intervienen y facilitan el proceso de enseñanzaaprendizaje. Estos materiales pueden ser tanto físicos como virtuales, asumen como condición, despertar el interés de los estudiantes, adecuarse a las características físicas y psíquicas de los mismos, además que facilitan la actividad docente al servir de guía; así mismo, tienen la gran virtud de adecuarse a cualquier tipo de contenido. La importancia del material didáctico radica en la influencia que los estímulos a los órganos sensoriales ejercen en quien aprende, es decir, lo pone en contacto con el objeto de aprendizaje, ya sea de manera directa o dándole la sensación de indirecta. En otras palabras, se puede decir que son los medios o recursos que sirven para aplicar una técnica concreta en el ámbito de un método de aprendizaje determinado, entendiéndose por método de aprendizaje el modo, camino o conjuntos de reglas que se utiliza para obtener un cambio en el comportamiento de quien aprende, y de esta forma que potencie o mejore su nivel de competencia a fin de desempeñar una función productiva”. A esta definición, la podemos complementar con la de Isabel& Ogalde&Careaga,& NUEVAS&TECNOLOGÍAS&Y&EDUCACIÓN&(2008),&en la que se refiere a los materiales didácticos de la siguiente forma: “...son todos aquellos medios y recursos que facilitan el proceso de enseñanza aprendizaje, dentro de un contexto educativo global y sistemático, y estimula la función de los sentidos para acceder más fácilmente a la información, adquisición de 25 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA habilidades y destrezas, y a la formación de actitudes y valores”. Figura 1. Características de un material didáctico [1] Atendiendo a esta definición y estructura se pasará a realizar el análisis de la información para así adecuarla correctamente al soporte digital, sin defraudar ninguno de los objetivos propios de un material didáctico. 2.2 Introducción a la Fabricación Aditiva La Fabricación Aditiva, de ahora en adelante denominada por las siglas FA, es una tecnología de fabricación que permite la obtención de geometrías complejas mediante un proceso de adición de capas de material. 2.3 Procesos de fabricación Con el objetivo de contextualizar el concepto de fabricación aditiva, los procesos de fabricación pueden compararse y clasificarse según el modo en el que procesan el material para obtener la geometría deseada [3]. Tal y como se muestra en el siguiente gráfico: 26 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 2. Esquema Procesos de fabricación [3] Procesos de Fabricación Sustractivos (FS): la geometría final se obtiene a partir de un bloque de material de dimensiones mayores, del que se va eliminando material mediante operaciones de arranque de material. Dentro de estos procesos podemos encontrar: • Mecanizado • Corte por agua • Corte por láser • Etc. Procesos de Fabricación por Deformación (FD): se introduce el material en una matriz con una cavidad con la forma que se quiere obtener. Dentro de estos procesos podemos encontrar: • Moldeo • Forja • Termoconformado • Etc. Tanto la FS como la FD, son considerados métodos de fabricación tradicionales, debido a que a pesar de haberse modernizado con controles por ordenador en los últimos tiempos, son tecnologías con orígenes en la Revolución Industrial. Fabricación Aditiva: la geometría se obtiene mediante la adición capa a capa del material. Las principales ventajas frente a las otras técnicas de fabricación es la capacidad de producir geometrías complejas sin necesidad de utillaje (FD) y sin 27 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA desechar material (FS). Todos los procesos de FA serán desarrollados posteriormente en el documento. 2.4 Historia y adopción de la Fabricación Aditiva El comienzo del desarrollo de la Fabricación Aditiva se remonta a los años ochenta, sin embargo desde el 1860 con la invención del primer método de captura fotométrica de objetos tridimensionales por parte de François Willème, se empezó a dar los primeros pasos hacia el desarrollo de estas tecnologías. Posteriormente en 1892 Blanther propuso un método de producción topográfica por capas. En 1972 Mastubara de Mitshubisi motors propuso que los fotopolímeros (materiales plásticos que se endurecen con la incidencia de la luz) se utilizaran para producir objetos por capas. A lo largo de este apartado se repasarán los principales eventos de importancia en la historia del desarrollo de la FA [4,5]: Década de los ochenta •En 1981 Hideo Kodama publica la primera muestra de un sistema de prototipado rápido trabajando con fotopolímero. •En 1983 Charles Hull presenta la primera tecnología para crear objetos sólidos a partir de un modelo CAD. Esta tecnología se denominó Estereolitografía. •En 1986 Carl Deckar y Joe Meaman desarrollan la tecnología SLS (Selective Laser Sintering) en la Universidad de Texas. En 1990 se comercializa la primera máquina de la que solo se produjeron cuatro por su elevado coste. •Ese mismo año, Charles Hull funda 3D systems (una de las más importantes compañías en el sector) para patentar su tecnología en 1987 y comercializar la primera máquina en el 1988. •En 1988 Scott Crump inventa la tecnología FDM (Fused Deposition Modeling) que es hoy en día la tecnología más extendida a nivel de consumidor. En 1989 funda Stratasys. 28 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Capítulo 3 Estudio de la Fabricación Aditiva 3.1 Evolución del término Como se muestra en el punto 2.3 de este documento la evolución de la Fabricación Aditiva ha hecho que haya adquirido diversos nombres a lo largo de su desarrollo. Cuando surgieron, su objetivo era la elaboración rápida de prototipos, por lo que se denominaron “Rapid Prototyping”. Figura 4. Evolución del término hasta FA (<<Desarrollo de formulaciones de termoplásticos con cáscara de almendra para procesos de sinterizado láser, Asunción Martínez, 30 de octubre de 2014>>)! A medida que se fueron desarrollando, las tecnologías ofrecían más variedad de materiales, mejores acabados y tolerancias, por lo que aumentaron las prestaciones. Esto dio lugar a la fabricación de piezas y productos totalmente funcionales. Por lo que se acuñaron términos como “Rapid Manufacturing” (fabricación rápida) o “Rapid Tooling” cuando se utilizaban para fabricar utillaje y moldes. En la Figura 4 podemos apreciar otros nombres con los que se desgina este tipo de tecnologías, como E-Manufacturing al utilizarse ficheros digitales para la fabricación o Impresión 3D de manera coloquial. Sin embargo, en 2009 se forma el comité científico de la ASTM F42 para normalizar la designación de estos procesos de fabricación. De este modo las anteriores designaciones quedan invalidadas, pasando a ser incorrectas, a pesar de seguir siendo utilizadas de manera frecuente. 35 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Según la ASTM y posteriormente siendo secundada por la ISO [2] se denomina Additive Manufacturing (Fabricación Aditiva): “El proceso de producción de objetos mediante la adición de material capa a capa realizado a partir de la información de un modelo tridimensional.” 3.2 Estandarización de la FA 3.2.1 Introducción En la actualidad nos encontramos en un marco en el que la Fabricación Aditiva cobra cada vez más importancia en numerosos sectores industriales e incluso está accesible al público en general. Esto hace que sea necesaria la creación de una normativa que las regule. Una norma es un documento de aplicación voluntaria que contiene especificaciones técnicas basadas en los resultados de la experiencia y del desarrollo tecnológico. Las normas son el fruto del consenso entre todas las partes interesadas e involucradas en la actividad objeto de la misma. Además, deben aprobarse por un Organismo de Normalización reconocido. Las normas garantizan unos niveles de calidad y seguridad que permiten a cualquier empresa posicionarse mejor en el mercado y constituyen una importante fuente de información para los profesionales de cualquier actividad económica. Para realizar esta normalización, la Unión Europea ha impulsado un proyecto denominado SASAM (Support Action for Standardisation in Additive Manufacturing) para desarrollar una hoja de rutas de las actividades a realizar para la estandarización de la FA. Este documento está abierto a la comunidad para que todas los grandes organismos y empresas tengan la oportunidad de expresar su sugerencias de cara a la mejora. De esta manera todas las aportaciones podrán ser revisadas para mejorar o adaptar esta hoja de ruta. Esta hoja de ruta se muestra en la siguiente imagen (Figura 5), además la última revisión del documento emitido por el SASAM [3] será la referencia para el desarrollo de este apartado 3.2.!! 36 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 5. Hoja de ruta para la estandarización de la FA [3] 3.2.2 Esquema de estandarización Actualmente existe una cooperación entre las principales entidades de normalización, que destinan han conformado comités destinados a estas tecnologías, estos son: ISO TC261, ASTM F42 y recientemente CEN/TC 438. Esto hace que americanos y europeos trabajen conjuntamente con el objetivo de desarrollar un estándar único aceptado por todas las partes. De esta manera se reconoce el gran interés a nivel mundial por la FA. Se ha llegado a un consenso en el que la estructura común define múltiples niveles y jerarquías dentro de los estándares de la FA, estos se basan en tres niveles principales: Estándares generales: especifica conceptos generales y requerimientos comunes. Estándares de categoría: especifica requerimientos que son específicos a procesos o categorías de materiales. 37 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Estándares especializados: especifica requerimientos específicos para un material, proceso o aplicación. Estos estándares o normas y su estructura se pueden apreciar de manera más clara en la siguiente imagen (Figura 6). Figure 6. Estructura acordada para el desarrollo de la estandarización de la FA [3] Hay una relación padre-hijo entre los distintos niveles, por lo que las características de las normas padre se transfieren a las hijas. La intención de esta estructura es facilitar el desarrollo de una estandarización modular para reducir el riesgo de duplicar el trabajo así como el riesgo de contradicción entre normativas. 3.2.3 Beneficios de la estandarización para la FA La estandarización es esencial para el uso de la FA en aplicaciones críticas como piezas para motores de aeronaves o implantes fabricados con estas tecnologías, estas normativas permitirán la certificación y aprobación de los mismos, impulsando así su uso. En términos generales los objetivos de la estandarización son: • Promover la calidad de los productos, procesos y servicios, defendiendo las características que estos aportan para satisfacer determinadas necesidades. 38 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 • Promover mejoras en la calidad de vida, seguridad salud y proteger el medio ambiente. • Promover el uso rentable de materiales, energía y recursos humanos y la producción e intercambio de bienes. • Promover la comunicación clara entre las partes interesadas dentro de un marco legal. • Promover el libre comercio internacional. • Promover la eficiencia industrial bajo un extenso control. En definitiva, la normativa, conseguirá impulsar la implementación industrial de estas tecnologías, con el consiguiente impacto económico que esto supondrá a nivel global. 3.3 El proceso de Fabricación Aditiva En este apartado se describe el proceso genérico de utilización de las tecnologías FA, desde el proceso de diseño hasta la producción. Como se viene mostrando, el funcionamiento de la FA consiste en la adición de material por capas, cada capa es una delgada sección de la pieza original del modelo CAD. En la práctica cada capa tiene un grosor finito, por lo que el resultado será una aproximación al modelo y cuanto más finas sean esas capas mayor será su fidelidad con respecto al modelo. La diferencia entre las distintas tecnologías de FA existentes se podrían clasificar en; los materiales que pueden usar, como se forman las capas y como se unen. Estas diferencias, harán que sea de vital importancia la selección de la tecnología o máquina utilizada, ya que condicionan factores como: la tolerancia de las piezas o las propiedades mecánicas del material; la velocidad de fabricación; la necesidad de postprocesado; el tamaño y el coste. Al margen de las particularidades de cada tecnología y de las máquinas en función del fabricante, podemos organizar el proceso en las siguientes fases: 39 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Figura 7. Diagrama del proceso 3.3.1 CAD Para comenzar debemos tener un modelo 3D digital. La obtención de este modelo se puede conseguir principalmente mediante utilizando un software de CAD. En el mercado existen numerosas opciones tanto bajo licencia como libres. Gracias a la capacidad de obtener geometrías complejas que no se podían obtener de manera tradicional, destaca la posibilidad de utilización de software de modelado orgánico que utilizado en conjunción con sistemas hápticos permite a los diseñadores sentir una respuesta tangible de resistencia, que hace que sientan que están esculpiendo de verdad y por tanto tengan más control para modelar. 40 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 8. Utilización de un sistema háptico. Recuperado a partir de http://www.cadblu.com/images/geomagic/Geo-Sculpt/image1.jpg Por otra parte, otro de los métodos más utilizados para la obtención de estos modelos CAD es la ingeniería inversa. Esto consiste en obtener un modelo 3D a partir de un modelo físico ya existente. Para esto existen diversas técnicas de escaneado tanto por contacto como sin contacto. El principio básico de ambos es el mismo, obtener una nube de puntos para posteriormente generar una malla que los cubra y así obtener un modelo 3D. 3.3.2 Conversión a .STL El siguiente paso, es convertir el modelo CAD a un tipo de fichero común que pueda leer la máquina. Este formato es por lo general .STL, que se ha convertido en el formato “estándar” para la FA. Para la conversión a este formato, la mayoría de software CAD, dan la opción de “Guardar como” o “Exportar a…”, por lo que es un proceso sencillo. El formato .STL es una representación mediante una malla triangular del archivo CAD. Esto que creará un efecto de facetado en la superficie, que variará en función de los parámetros elegidos durante el guardado [6]. A mayor densidad de triángulos en la maya, mayor será la resolución y por tanto mejor será el resultado. Por el contrario esto aumentará el tiempo de procesamiento y también el tiempo de fabricación, por lo que es fundamental adaptar los parámetros según las necesidades y funcionalidad de la pieza. 41 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Figura 9. Conversión de CAD a STL. Recuperado a partir de http://ira3d.com/modules/phsimpleblog/views/img/covers/152.png A pesar de la imposición del .STL, este formato tiene varias deficiencias por lo que algunas compañías han optado por desarrollar su formato propietario para sus máquinas. A su vez, la ASTM en su afán por la estandarización de la FA que creado un formato normalizado. Bajo la norma ISO/ASTM 52915:2013 en 2011 se crea y en 2013 se aprueba el formato .AMF. Este formato de código abierto proporciona información completa sobre el modelo, jerarquizada en 5 niveles: objeto, material, textura, constelación y metadatos. Estos son la base para obtener información sobre la forma, composición, color, material y geometría del modelo. También introduce el concepto de constelación de fabricación, permitiendo agrupar iteraciones de objetos para optimizar la producción [8]. La aceptación de este formatos está siendo progresiva pero aún está lejos de sustituir al .STL. Con el fin de agilizar la transición grandes fabricantes como Stratasys o proveedores de software como Autodesk están apoyando el formato mediante la inclusión del mismo y la creación de herramientas para migrar los antiguos .STL a .AMF. 3.3.3 Slicer En el siguiente paso, se prepara el .STL para la fabricación. El software utilizado para este procedimiento se conoce como “slicer”, ya que secciona el modelo en capas o secciones planas, que serán las que conformen la pieza tridimensional. Estos programas permiten también modificar todos los parámetros relacionados con la fabricación: orientación de pieza e incluso adición material de soporte si fuera necesario; velocidad de fabricación, tolerancia dimensional de las capas, temperatura de fabricación y cualquier otro parámetro relevante en función de la 42 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 tecnología utilizada. Existen una gran variedad de software tanto libres como de pago, por lo general cada máquina tiene el suyo propio o un perfil pre ajustado a sus parámetros en función del material. Controlando estos parámetros podremos también obtener datos como el tiempo de fabricación o la cantidad de material utilizado, fundamentales para la elaboración de presupuestos. Figura 10. Modelo 3D donde se aprecia la colocación del material de soporte y su proceso de seccionado por capas. Recuperado a partir de http://cybertron.cg.tuberlin.de/rapid_prototyping_11ws/slicer/slice.png A pesar de estos pre ajustes, cada tecnología y material tiene sus limitaciones y características, por lo que es fundamental elegir una correcta configuración para no obtener piezas defectuosas. En numerosas ocasiones y a pesar de poder realizar precisas simulaciones, la configuración idónea se consigue a base de ensayo y error.  3.3.4 Fabricación Una vez obtenido el fichero con toda la información necesaria para la correcta fabricación de la pieza, este es introducido en la máquina para su fabricación. Las máquinas también cuentan con controles para variar los parámetros desde las mismas si fuera necesario. El proceso de adición de capas varia según la tecnología utilizada. 43 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Figura 11. Proceso de fabricación de un modelo de la Torre Eiffel por FDM. Recuperado a partir de http://www.ratolinformatic.es/wp-content/uploads/2016/03/2.jpg 3.3.5 Post-Procesado En función de la tecnología o máquina utilizada será necesario realizar distintas tareas de postprocesado. Cada tecnología tiene su propio sistema de extracción de piezas. como se expondrá en el capítulo 4 del documento. Una vez extraída la pieza, esta será sometida a diferentes procesos de acabado en función de su finalidad. Por ejemplo en la Figura 11 vemos como el plástico deja pequeños hilos de material que por motivos estéticos podrán ser eliminados una vez finalice el proceso de fabricación. 3.3.6 Aplicación Terminadas todas estas fases ya se obtiene la pieza final para su utilización. Esta puede ser una pieza final o un prototipo que deberá ser sometido a pruebas visuales, de ensamble o a ensayos para comprobar sus propiedades mecánicas. 44 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 base de fabricación. En caso de requerir material de soporte, su eliminación no es siempre sencilla, por ello se están desarrollando materiales de soporte hidrosolubles. También existen restricciones en el tamaño de fabricación, ya que estará limitado al tamaño de la plataforma de fabricación. En la actualidad existen máquinas con volúmenes de fabricación superiores a los 216 metros cúbicos [14], ya que las compañías desarrollan maquinaria en función de sus necesidades. Pero por lo general los volúmenes de fabricación no son muy grandes, ya que para obtenerlos la propia maquinaria deberá de tener unas dimensiones acorde. A parte de limitaciones en el tamaño máximo, también las hay para el tamaño mínimo. Están están directamente relacionadas con las capacidades físicas de la máquina como el espesor mínimo de capa. A su vez, la necesidad de un formato determinado y la compatibilidad limitada con según que materiales por parte de las diferentes tecnologías hace que el precio de los mismo se encarezca. Así mismo, la propia inmadurez y falta de desarrollo de las tecnologías son un gran hándicap. Esto propicia un desconocimiento profundo del comportamiento aniso trópico de los materiales y por tanto el resultado no es tan controlable y homogéneo como en los procesos tradicionales. Este último punto propicia que todavía no se haya desarrollado el Sistema de Normalización pertinente. Resultando en una ralentización de la expansión de estas tecnologías, lo que encarece los precios tanto de la maquinaria como de los materiales. A modo de resumen, en el siguiente cuadro comparativo se pueden apreciar las principales ventajas y desventajas de la fabricación aditiva frente a la fabricación tradicional. 51 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Ventajas Desventajas -Piezas muy complejas sin sobrecoste -Libertad de diseño -Piezas personalizadas -Optimización del material -Capacidad de innovación -Reducción del “time to market” -Rentabilidad de fabricación en series cortas -Acelerador para la Industria 4.0 -Democratización de la fabricación - Baja capacidad productiva - Bajos ratios de producción - Requerimiento de postprocesado - Limitaciones de tamaño de fabricación - Limitación de materiales y formatos - Inmadurez y falta de desarrollo - Falta de Sistema de Normalización 52 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Referencias [1] González, H., & Vicente, J. (2012). Desarrollo de un procedimiento de diseño óptimo para fabricación de componentes mediante tecnologías aditivas. Recuperado a partir de https://riunet.upv.es/handle/10251/17874 [2] Norma ISO/ASTM 52900:2015. Principios generales para la fabricación aditiva, Terminología. (2015 ). Recuperado 17 de mayo de 2016. [3] Additive Manufacturing: SASAM Standarisation Roadmap (2015). [4] Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2010). Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing. New York [etc.]: Springer. Recuperado a partir de http://ulpgc.summon.serialssolutions.com/ [5] Mahamood, R. M., Akinlabi, E. T., Shukla, M., & Pityana, S. (2014). Revolutionary additive manufacturing : an overview. Recuperado a partir de https://ujdigispace.uj.ac.za/handle/10210/13128 [6] STL File Format: How to Prepare STL Files. (s. f.). Recuperado a partir de https://www.stratasysdirect.com/resources/how-to-prepare-stl-files/ [7] Dennis Bella. (2015, julio 21). 3D printing file format cage match: AMF vs. 3MF. Recuperado a partir de http://blog.grabcad.com/blog/2015/07/21/amf-vs-3mf/ [8] Norma ISO/ASTM 52915:2015. Especificaciones para el formato de archivo de la fabricación aditiva (AMF), versión 1.2 . (2015 ). Recuperado 27 de mayo de 2016. [9] Introducción a la Fabricación Aditiva - Adimen Lehiakorra. (s. f.). Recuperado 8 de abril de 2016, a partir de http://www.adimenlehiakorra.eus/es/contenidos [10] The 7 categories of Additive Manufacturing | Additive Manufacturing Research Group | Loughborough University. (s. f.). Recuperado 9 de abril de 2016, a partir de http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing / [11] Create value with 3D printing - Additively - your access to 3D printing. (s. f.). Recuperado 9 de abril de 2016, a partir de https://www.additively.com/en/create-valuewith-3d-printing 53 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA [12] Manuel Porras Rodríguez. (2012, Agosto). ANÁLISIS TÉCNICO-ECONÓMICO DE TÉCNICAS DE FABRICACIÓN ADITIVA PARA APLICACIÓN EN DIFERENTES SECTORES INDUSTRIALES. Recuperado a partir de http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/50a4d66bb89d5.pdf 54 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 CAPÍTULO 4 Análisis en profundidad de las 7 categorías de FA Capítulo 4 Análisis en profundidad de las 7 categorías de FA Como ya se ha comentado la ASTM propone en conjunción con ISO, bajo la norma ISO/ASTM 52900:2015,!una clasificación en 7 categorías principales. En este capítulo se desarrollará en profundidad cada una de estas categorías. Además de explicar las diferencias entre las tecnologías comerciales asociadas dentro de estas categorías, también se aportará –al final de cada grupoun ejemplo de maquinaria y casos de usos representativos con el objetivo de lograr una mejor comprensión y familiarización con la FA y sus posibilidades. Se ha tomado como base para la redacción de este capítulo las referencias [1-4]. 4.1 Fotopolimerización en tanque (VAT Photopolymerisation) Definición según la ISO/ASTM 52900:2015: proceso de fabricación aditiva en el cual un fotopolímero líquido en un tanque es selectivamente curado por la acción de luz que activa la polimerización. Descripción Este proceso, denominado en inglés VAT photopolymerisation, utiliza un tanque lleno de resina de fotopolímero en estado líquido en el que el modelo es construido capa a capa. Para ello un haz de luz ultravioleta es proyectado para curar o endurecer la resina donde es requerido. La plataforma va descendiendo a medida que se endurece cada capa. [4] Debido a la utilización de un material en estado liquido, este no puede actuar como soporte del objeto construido por lo que la estructura de soporte tiene que ir construyéndose a lo largo del proceso. Esquema de funcionamiento Dentro de esta categoría podemos encontrar dos tecnologías comerciales principales que se basan en este principio. La estereolitografía, en inglés SLA (stereolithography) es la primera de las tecnologías de FA inventada. Lo hizo Charles Hull 1983, que comenzó a comercializar la primera máquina en 1988 tras fundar 3DSystems. Esto hace que sea una de las tecnologías más extendidas a nivel industrial. 57 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Figura 15. Esquema de funcionamiento del proceso de fotopolimerización en tanque. Diseño planteado a partir de [3] 1. La plataforma comienza a descender en el interior del tanque. 2. El cabezal se desplaza y utiliza el mecanismo de espejos para proyecta el haz de luz ultravioleta que va curando la resina capa a capa. La plataforma sigue descendiendo y las capas se siguen formando una encima de la otra. 3. Algunas máquinas usan una cuchilla para asegurar que la superficie no tiene imperfecciones antes de generar la siguiente capa. 4. Una vez completado el proceso, el tanque es drenado y se puede extraer la pieza. Por su parte la DLP (Digital Light Processing) fue desarrollada en 1996 por Texas Instruments, su funcionamiento es muy similar al de una máquina SLA, la diferencia es que la curación de la resina se produce al proyectar una imagen mediante tecnología DLP. Esta es creada por espejos microscópicos en una matriz sobre un chip semiconductor, que proyecta de manera homogénea las imágenes en el espacio y el tiempo para ir endureciendo las capas. La necesidad de incorporar un proyector hace que por lo general las máquinas tengan dimensiones mayores a las máquinas SLA con el mismo volumen de impresión. 58 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Otra de las diferencias con respecto a la SLA es que la plataforma asciende tras generar una capa, lo que hace que la pieza se construya boca abajo. Esta distribución consigue prescindir de dispositivo para limpiar las imperfecciones entre la generación de una capa y la siguiente. El esquema de funcionamiento es el siguiente: 1. La plataforma de construcción está en contacto con la cuba donde se encuentra la resina líquida. La base de la plataforma es un cristal recubierto por una sustancia que permite la adhesión entre la resina y la plataforma. 2. La resina se expone a la imagen proyectada por el proyector DLP desde el fondo de la máquina. Esto permite curar el material de una capa de una sola vez. Por lo que el tiempo de fabricación depende de la altura de los objetos. 3. Una vez generada la capa, la plataforma sube, una nueva cantidad de resina se aporta a la cuba y la plataforma vuelve a bajar para generar una nueva capa. 4. Esto se repetirá hasta generar la pieza final. 5. Una vez terminada la pieza se extrae y al igual que con pasa con la LSA, por lo general la piezas se siguen curando en un horno para alcanzar una completa polimerización y así obtener las propiedades deseadas. En caso de haber requerido de estructura de soporte, esta se eliminará previamente a la curación en el horno de manera mecánica o química. Figura 16. Esquema de funcionamiento del proceso de DLP. Diseño planteado a partir de [3] 59 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA El funcionamiento del proyector DLP es el siguiente, cada capa es representada por una máscara digital transferida en formato bitmap. Los espejos giran entre la posición de encendido y apagado para representar los datos del archivo. Por lo general tanto en SLA como en DLP, tras finalizar el proceso, la piezas se siguen curando en un horno para alcanzar una completa polimerización y así obtener las propiedades deseadas. En caso de haber requerido de estructura de soporte, esta se eliminará previamente a la curación en el horno de manera mecánica o química. Ahora podrá ser sometida al tipo de proceso de acabado superficial deseado, tanto de eliminación de material (pulido, lijado…) o de adición de material (pintado, revestimiento…) Además, la propia naturaleza de los materiales hace que sus propiedades no se prolonguen en el tiempo. Por lo que hay que tener cuidado a su exposición a determinadas fuentes de radiación, por ejemplo el sol, ya que hacen que se produzca un efecto de curado continuo afectando de inmediato las características mecánicas de la pieza. Materiales Estos procesos sólo son compatibles con resinas fotocurables mediante la acción de rayos UV. Ventajas • Buena tolerancia y buen acabado superficial. • Proceso relativamente rápido con respecto a los de otras categorías. • Normalmente tienen áreas de construcción grandes. Además de las ventajas asociadas a las tecnologías de fotopolimerización, las ventajas de los procesos DLP frente a los SLA son: • Mayor precisión. • Mejor resistencia mecánica por lo que se obtienen piezas funcionales. • El tiempo de construcción no depende de la cantidad de piezas a producir. Concretamente la construcción de forma invertida permite también: • Menor necesidad de soporte. 60 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Limitaciones del proceso y condiciones de diseño Esta categoría de tecnologías no cuenta con prácticamente restricciones a la hora de utilizarse dado que el material de soporte es fácilmente eliminable. Además la orientación de las piezas a la hora de fabricarse no afecta prácticamente al resultado en comparación con otras tecnologías. Si bien, cabe destacar que las máquinas ofrecen mayor resolución en el eje z. Polyjet Uno de los principales exponentes en esta categoría es Stratasys con su tecnología Polyjet. El fabricante cuenta con una amplia gama de maquinaria. Contando con máquinas de escritorio, máquinas orientadas al prototipado y máquinas con mayores capacidades productivas. Las características que ofrecen varían en función de la máquina y el material utilizado, por tanto se recomienda consultar la ficha técnica del fabricante para comprobar si la máquina cuenta con características como la tolerancia o el volumen de construcción que se requiere. Se ha seleccionado a modo de ejemplo una máquina orientada a la producción, la Object1000 Plus. Cuenta con: • Volumen de fabricación: 1000x800x500 mm. • Resolución de capa de: hasta 16 µm. • Materiales utilizados durante la impresión: 6 cartuchos, posibilidad de combinar hasta 3 materiales y utilizar 2 combinaciones diferentes de manera simultánea. Figura 20. Object1000Plus y esquema de funcionamiento. Recuperado a partir de http://www.stratasys.com/es/impresoras-3d/production-series/objet1000-plus 67 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Tal y como se ha explicado, estas tecnologías permiten combinar materiales para mejorar sus parámetros. Stratasys llama a esto materiales digitales. Por ejemplo su ABS Digital se puede modificar para obtener una mayor durabilidad y distintos valores de Shore A desde 27 a 95. Otro ejemplo, (figura 21, superior-izquierda) es poder combinar materiales con propiedades distintas, como un material flexible y translúcido como materiales opacos y de diferentes colores. Las posibilidades son prácticamente ilimitadas. Más información acerca de la máquina, los materiales compatibles y sus posibles combinaciones se puede encontrar en el apartado 2.2 del Anexo II, adjunto al final de esta memoria. Usos y sectores de aplicación Dadas sus prestaciones y la utilización de material fotocurable para la fabricación es inevitable comparar los procesos de chorro de material con los de fotopolimerización en tanque. Por tanto, sus usos y aplicaciones son prácticamente idénticos, centrándose en la fabricación de prototipos y modelos para colada en vacío. Sin embargo, la capacidad de ofrecer mejores propiedades mecánicas hace que los procesos de inyección también se utilicen para construir piezas funcionales o hacer ensayos más fiables de los prototipos. Se ha creado un mosquetón de una sola pieza, que se abre gracias a su flexibilidad pero puede soportar cargas superiores a 50 kg (figura 21, superior-derecha). El hecho de obtener piezas con los materiales, propiedades y colores correspondientes ya ensambladas, combinado con la velocidad de fabricación permite ahorrar muchos postprocesos y tiempo de producción (figura 21, inferior-derecha). Estas capacidades hace que no sólo sean utilizadas en industrias como la médica o el sector de la joyería, permite que otras industrias como la automovilística o empresas que se dedican a la producción de bienes de consumo (figura 21, inferiorderecha) también saquen partido de estas tecnologías. En definitiva, cualquier sector puede sacar partido de las ventajas que esta categoría ofrece. 68 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 21.Imágenes de los ejemplos mencionados. Ordenadas de izquierda a derecha en el orden en el que son mencionados en el documento. Recuperado a partir de http://envisiontec.com/3d-printing-materials/ 69 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA 4.3 Extrusión de material (Material Extrusion) Definición según la ISO/ASTM 52900:2015: proceso de fabricación aditiva en el cual el material es selectivamente dispensado mediante una boquilla u orificio. Descripción Estas tecnologías son introducidas al mercado en 1990 por Stratasys, bajo la la marca registrada “Modelado por Deposición Fundida”, FDM en inglés. El término equivalente es el de “Fabricación de Filamento Fundido”, que fue creado por la comunidad RepRap (ver historia de la FA en el Capítulo 2) para disponer de un término libre de licencia. Por su parte, 3D Systems, registro su equivalente como Plastic Jet Printing, que se traduce como impresión de chorro de plástico. En cuanto al funcionamiento, la máquina calienta el filamento de plástico hasta fundirlo para extruirlo por una boquilla extrusora. El plástico es extruido sobre la plataforma de construcción donde se enfría y solidifica adhiriéndose a la capa siguiente, construyendo así la geometría deseada capa a capa. Esta tecnología es la más extendida a nivel de consumo, donde se conoce coloquialmente y de manera errónea como impresoras 3D. Esto hace que exista una gran variedad de máquinas con diferentes características, pero por lo general están destinadas a utilizar materiales y compuestos poliméricos. Sin embargo, se están desarrollando máquinas capaces utilizar estos procesos con metales. Esquema de funcionamiento Figura 22. Esquema de funcionamiento de extrusión de material. Diseño planteado a partir de [3] 70 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 1. Dependiendo de la máquina el cabezal y la plataforma de construcción se mueven para conseguir movimiento en los tres ejes. 2. El cabezal, calienta el filamento para así extruirlo y depositar el material para crear una capa del objeto. El cabezal se alimenta del filamento de manera continua para seguir creando las capas. 3. Una vez depositada la primera capa, las siguientes se añaden una encima de la otra. Las capas se adhieren al solidificarse debido a que el plástico se encuentra en estado fundido. 4. Una vez terminado el proceso, se puede extraer la pieza de la plataforma de construcción, para pasar al postprocesado. En el postprocesado, se debe eliminar el material de soporte si ha sido necesario su utilización, así como los posibles desperfectos y excesos de material en la base donde la pieza estaba adherida a la plataforma de construcción. Por lo general se suele crear una capa base más fina denominada “raft” para que su eliminación se sencilla y deje un buen acabado. Además en función del material utilizado y las características y parámetros de la máquina el acabado variará, por lo que posteriormente se podrán someter a procesos de acabado propios de el tipo de material utilizado. Materiales Termoplásticos y otros polímeros compuestos para mejorar sus propiedades, con fibras de por ejemplo madera, cobre, fibra de carbono y más. Generalmente en formato filamento. Ventajas • Es un proceso altamente extendido y con un precio de entrada bajo. • Funcionan con materiales estándar por lo que existe una gran variedad de materiales disponibles. • Las piezas obtenidas presentan propiedades mecánicas similares a las obtenidas por procesos convencionales. También permiten postprocesados . 71 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Desventajas • Debido a la dirección de construcción de las capas, en función de la resolución de la máquina se podrán apreciar los escalones entre capas. • A su vez, la dirección de construcción en X-Y hace que la pieza presente anisotropía en Z. • La calidad y altura de capa de la pieza vendrá definida por el diámetro de la boquilla del extrusor. • Esto también hace que en comparación con otros procesos la velocidad y precisión de construcción sean inferiores. • Se requiere controlar constantemente las condiciones de presión durante el proceso, esto es imposible en las máquinas de bajo coste abiertas, lo que se traduce en una peor calidad en la pieza. Limitaciones del proceso y condiciones de diseño Como se ha comentado, la dirección de construcción hace que la pieza presente anisotropía en el eje z, por lo que es recomendable posicionar la pieza a la hora de su construcción en función de la dirección en la que va a sufrir los esfuerzos cuando sea utilizada. Las máquinas también permiten controlar la cantidad y el patrón de relleno, lo que permite optimizar la relación cantidad de material-prestaciones. Se recomienda evitar voladizos o cualquier estructura que pueda requerir material de soporte, ya que este tendrá que ser removido a posteriori. Actualmente existen máquinas con varios extrusores lo que permite utilizar un material soluble para esta tarea. Por último, la velocidad de fabricación comprometerá la calidad de la misma. FFF El proyecto RepRap, ya comentado con anterioridad, ha sido el principal impulsor de el acercamiento de estas tecnologías al gran público, por ello, estas máquinas son las más representativas dentro de esta categoría. Existen infinidad de modelos, sin embargo, la BCN3D+ de la empresa BCN3DTechnologies, es una máquina con una gran 72 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 relación calidad-precio. Este se puede comprar ya montada, o se puede comprar en un kit para que sea el propio consumidor el que la monte, pudiendo así ahorrar dinero y poder realizar modificaciones de una forma más sencilla. Esta máquina cuenta con: • Volumen de fabricación: 252x200x200 mm. • Resolución máxima de capa de: hasta 0,05 mm. Figura 23. BCN3D+ y kit de montaje. Recuperado a partir de https://www.bcn3dtechnologies.com/es/catalog/bcn3d-plus/ La máquina cuenta con una superficie de impresión calefactada que permite la perfecta adhesión de todos los materiales compatibles con estas tecnologías, –PLA, ABS, Nylon, Filaflex…- asegurando la calidad de la pieza. Más información acerca de la máquina y los materiales compatibles en el apartado 2.3 del Anexo II, adjunto al final de esta memoria. Usos y sectores de aplicación Debido a la posibilidad de obtener piezas con características mecánicas similares a las obtenidas por procesos de fabricación de plástico tradicionales, la FFF permite producir series cortas de piezas a un precio más competitivo que por inyección. Evidentemente también se usan para fabricar prototipos tanto funcionales como visuales, por ejemplo el prototipo de calzado construido con filamento flexible, a la izquierda de la figura 24. Además, para fabricar objetos exclusivos o personalizados. Un 73 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA ejemplo son los auriculares DIY de la empresa Print+, que proporcionan los componentes electrónicas del producto y los compradores pueden fabricarse la carcasa y resto de accesorios del color, tamaño y material que elijan (figura 25). Figura 24. Imágenes de ejemplo. Creación propia Figura 25. Auriculares DIY de la empresa Print+. Recuperado a partir de https://ultimaker.com/en/stories/17527-3d-printed-diy-headphones-by-print 74 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 4.4 Fusión de lecho de polvo (Powder Bed Fusion) Definición según la ISO/ASTM 52900:2015: proceso de fabricación aditiva en el cual energía térmica funde de manera selectiva regiones de un lecho de polvo. Descripción La fusión de lecho de polvo fue inicialmente desarrollada para materiales poliméricos a mediados de los 80 por Deckard y Beaman. Consiste en la fundición selectiva del material del lecho de polvo, que se irá fusionando y generando el objeto capa. En función de el método utilizado para fundir el material y la capacidad de materiales a fundir podemos distinguir diversas tecnologías dentro de esta categoría: MATERIALES POLIMÉRICOS • SLS (Selective Laser Sintering): El sinterizado selectivo laser fue la tecnología pionera y como su nombre indica utiliza un laser para sinterizar el material polimérico. • SMS (Selective Mask Sintering): esta variante utiliza radiación infrarroja para fundir el material, consiguiendo una mayor velocidad y homogeneidad. • SHS (Selective Heat Sintering): esta tecnología utiliza un cabezal con una resistencia térmica para fundir el material polimérico en polvo. Requiere menos energía que el láser pero esto hace que los materiales utilizados tengan propiedades mecánicas peores por lo que su uso está destinado prototipos más que a pizas funcionales. MATERIALES METÁLICOS • DMLS (Direct Metal Laser Sintering): Es el homólogo a el SLS, pero en este caso el material utilizado es metálico. • SLM (Selective Laser Melting): esta variante de SLS es más rápida pero requiere del uso de un gas inerte lo que la hace más cara. • EBM (Electro Beam Melting): Por su parte esta tecnología utiliza un haz de electrones. 75 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Esquema de funcionamiento 1. Para comenzar el material en formato de polvo es distribuido en una capa sobre la plataforma de construcción. Esta está a una temperatura próxima a la de fusión del material para evitar un cambio muy brusco de temperatura y así conseguir resultados más homogéneos y rápidos. 2. El laser u otra de las técnicas utilizadas funde de manera selectiva para generar la primera capa del objeto. 3. Una nueva capa de material se distribuye sobre la capa recientemente creada. 4. El proceso se repite hasta construir el objeto. Una vez terminada la pieza, se extrae de la máquina y se limpia el exceso de polvo restante sobre la geometría. Materiales Existen tecnologías para cubrir una amplia gama de materiales, siempre que sea en formato polvo. Dentro de los poliméricos encontramos Nylon, PA, PP, TPU. En cuanto a los metales, aleaciones de: titanio, aluminio, acero inoxidable, cromo y cobre. Figura 26. Esquema de funcionamiento fusión de lecho de polvo. Diseño planteado a partir de [3] 76 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 31. Zprinter 450. Recuperado a partir de https://3dhubs.s3-eu-west1.amazonaws.com/s3fs-public/talk/attachments/IMG_1561.JPG La maquinaria de esta empresa trabaja con composites de alto rendimiento. Obteniendo diferentes propiedades y colores en función de la proporción de aglutinante aportado y los tintes que se le apliquen en al creación de cada capa. Más información acerca de las máquinas y los materiales compatibles en el apartado 2.5 del Anexo II, adjunto al final de esta memoria. Usos y sectores de aplicación Estos procesos se suelen utilizar para realizar prototipos o modelos a todo color, principalmente para comprobaciones visuales y estéticas. Por tanto es ampliamente utilizado para presentaciones y mostrar el aspecto final del producto en sectores como la arquitectura (Figura 32, superior-izquierda) o el diseño industrial (Figura 32, superiorderecha). También se usa para fabricar figuras para coleccionistas (Figura 32, inferiorizquierda), para generar modelos topográficos tridimensionales a color (Figura 32, inferior-centro) o para mostrar el comportamiento de las piezas ante ciertos extraños utilizando gradientes de color (Figura 32, inferior-derecha). 83 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA A su vez su precisión y acabado permiten producir piezas modelo para fabricar moldes de colada en vacío (Figura 33, izquierda) o incluso permite producir directamente los moldes para piezas plásticas, con materiales especiales arenosos (Figura 32, derecha). Por lo que también es utilizado en otros sectores industriales. Figura 32. Imágenes de los ejemplos mencionados. Ordenadas de izquierda a derecha en el orden en el que son mencionados en el documento.. Recuperado a partir de http://www.zcorp.com/es/imagesets/ Figura 33. Imágenes de los ejemplos mencionados. Ordenadas de izquierda a derecha en el orden en el que son mencionados en el documento. Recuperado a partir de http://www.zcorp.com/es/imagesets/y 84 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 4.6 Laminación de hojas (Sheet Lamination) Definición según la ISO/ASTM 52900:2015: proceso de fabricación aditiva en el cual láminas de material son unidas para formar un objeto. Descripción Esta tecnología comúnmente conocida por sus sus siglas en inglés LOM (Laminated Objet Manufacturing), fue desarrollada y patentada en 1987 por la empresa, hoy conocida como, Cubic Technologies. El proceso utiliza laminas de papel o cartón que se van apilando y cohesionando mediante la utilización de un adhesivo. A medida que se generan las capas un cabezal de corte separa el contorno de la geometría a producir. Dentro de los procesos de laminación en hojas podemos encontrar otra variante, conocida como UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing), que utiliza láminas de metal en lugar de papel y estas son unidas mediante soldadura ultrasónica. Permite combinar capas de diferentes materiales y requiere poca energía porque el material no tiene que fundirse, además permite producir geometrías internas. Sin embargo requiere de postprocesados para eliminar el exceso de metal sobretodo generado por la soldadura y para extraerlo del marco de material en el que está embutido. Esto la convierte en una tecnología potencialmente híbrida, usada para producir piezas de partida que posteriormente serán mecanizadas y así desperdiciar menos material o utilizar su capacidad de combinar varios materiales para producir piezas con geometrías internas o multimetal. Figura 34, Pieza de aluminio con geometría interna de cobre. Recuperada a partir de https://3dprint.com/44405/fabrisonic-am-milling-process/ 85 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Esquema de funcionamiento El esquema de funcionamiento es el mismo para ambos procesos variando el material utilizado y la forma de adherirlo, así como el método de corte que puede ser por láser o con cuchilla. 1. El material en láminas es extendido sobre la plataforma de construcción. 2. Las láminas se adhieren unas a otras por el método correspondiente. 3. El sistema de corte, traza la geometría deseada de la capa. 4. Se añade una nueva capa y se repite el proceso. Una vez terminada, la pieza tiene que extraerse del material donde está embutida. En el caso de la LOM al tratarse de papel, este es fácil pudiendo incluso realizarse a mano. Sin embargo las propiedades estructurales de los objetos son limitadas por lo que se pueden mejorar añadiendo adhesivos, pinturas o barnices. Además de poder lijarse para mejorar la superficie. Materiales El material más comúnmente utilizado en los procesos LOM es el papel en formato A4, utilizando un sistema de cartuchos de tinta similar al de las impresoaras convencionales para dar el color a los objetos. Sin embargo podría utilizarse láminas de cualquier material que se pudiera enrollar para generar el laminado (polímeros). Por su Figura 35, Esquema de funcionamiento Laminación de hojas. Diseño planteado a partir de [3] 86 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 parte UAM permite utilizar cualquier aleaciónn metálica que permita también ser laminada. Ventajas • Se puede conseguir objetos a color mediante la adición de tinta a la vez que se suministra el adhesivo. • Es un proceso rápido y de bajo coste que ofrece buenos acabados. • Además es un proceso limpio, en el que no se requiere de entornos controlados o sustancias químicas para el postprocesado. • Permite utilizar materiales reciclados. Desventajas • Está limitado a materiales en formato lámina. • Requiere de postprocesados para obtener un buen acabado final. Limitaciones del proceso y condiciones de diseño La principal limitación de estos procesos como ya se expone en las desventajas es el material y formato utilizado. A pesar de ser barato esto condiciona los acabados obtenidos, siendo normalmente necesario postprocesados para obtener un buen resultado final. LOM Uno de los principales fabricantes de maquinaria LOM es Mcor, que utiliza el papel como materia prima para la fabricación. Recientemente ha lanzado una máquina de escritorio con un precio muy competitivo y que debido a las funciones que aporta este tipo de tecnología hace que sea una opción muy interesante. La Mcor Arke cuenta con: • Volumen de fabricación: 240x205x125 mm. • Resolución de capa: 0,1 mm. • Color: amplia gama de colores. 87 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Figura 36. Mcor Arke. Recuperado a partir de http://mcortechnologies.com/3dprinters/arke-3d-photorealistic-colour-printer/ Más información acerca de la máquina en el apartado 2.6 del Anexo II, adjunto al final de esta memoria. Usos y sectores de aplicación Al igual con los procesos de chorro de aglutinante, estos procesos se suelen utilizar para realizar prototipos o modelos a todo color, principalmente para comprobaciones visuales y estéticas. Por tanto es ampliamente utilizado para presentaciones y mostrar el aspecto final del producto en diversos sectores que pueden sacar partido a estas características (figura 37). Con máquinas más avanzadas se pueden obtener resoluciones de capa mucho mejores y resultados más parecidos a los obtenidos por chorro de aglutinante (figura 38). Si bien, requiere de postprocesados para tener un acabado superficial óptimo, también se pueden usar para generar modelos patrón para moldes de colada. 88 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 37. Imágenes de modelos fabricados por la Mcor Arke.. Recuperado a partir de http://mcortechnologies.com/wp-content/uploads/2015/11/DSC_5484-1024x562.jpg Figura 38. Imágenes de modelos fabricados por modelos superiores de Mcor. Recuperado a partir de http://mcortechnologies.com/wpcontent/uploads/2015/11/DSC_5484-1024x562.jpg 89 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA 4.7 Deposición de energía dirigida (Directed Energy Deposition) Definición según la ISO/ASTM 52900:2015: proceso de fabricación aditiva en el cual energía térmica dirigida es utilizada para fusionar materiales al fundir el que está siendo depositado. Descripción Estas tecnologías también conocidas como LMD (Laser metal deposition) o laser cladding, reciben estos nombres debido a que su funcionamiento consiste en aportar un metal en formato polvo o alambre mientras este es fundido por una fuente de calor como un haz de electrones o laser. Al entrar en contacto con la superficie se solidifica formándose las capas. En términos más simples, se podría definir como un soldador CNC de múltiples ejes ya que sus principales aplicaciones son para reparar o añadir materiales a estructuras ya existentes. Esquema de funcionamiento 1. El cabezal de 3-5 ejes se mueve para posicionarse en la superficie en la que hay que depositar el material. 2. Este se proyecta en el punto deseado en formato polvo o alambre. 3. A su vez el material se funde por la acción de una fuente de energía como puede ser un haz de electrones, un laser o un arco eléctrico. 4. Al entrar en contacto con la superficie este solidifica. Figura 39. Esquema de funcionamiento Deposición de energía dirigida. Diseño planteado a partir de [3] 90 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 5. El proceso se repite para ir generando nuevas capas y así reparar o añadir una nueva geometría a la pieza existente. Al igual que en un proceso de soldadura el acabado superficial es deficiente por lo que se debe someter a postprocesados si se requiere mejorarlo. Materiales Los materiales utilizados son aleaciones metálicas en formato polvo o alambre. Ventajas • Permite reparar piezas funcionales y de gran calidad al permitir un alto control de la estructura del material depositado. • Las máquinas son fácilmente escalables y no necesitan una atmósfera controlada por lo que se pueden fabricar piezas de gran tamaño. Desventajas • El acabado superficial no es liso, por lo que requiere de postprocesados. • Requiere de una superficie de partida sobre la que depositar el material. Limitaciones del proceso y condiciones de diseño A la hora de utilizar estas tecnologías es importante controlar los tiempos de enfriamiento, ya que al sobreponer varias capas de material podría volver a fundir el material sobre el que es depositado, dejando superficies imperfectas o comprometiendo la estructura interna del material. Laser Cladding En el mercado existen máquinas de Laser Cladding desde 3 a 5 ejes para obtener una mayor libertad de movimiento a la hora de elaborar las geometrías. Huffman es un fabricante con una amplia gama de máquinas de este tipo. Dentro de su gama de 5 ejes, la más asequible es la HC-205, que cuenta con: 91 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA • Volumen de fabricación: 735x650x560 mm. • Resolución del láser: 0,001º. Figura 40. Huffman HC-205 y esquema genérico del funcionamiento de esta categoría . Recuperado a partir de http://huffman-llc.com/HC-205-LPF-Cladding-JoiningSystem.aspx?sid=67&pid=17&red=yes Puede trabajar con aleaciones metálicas utilizadas en piezas de altas prestaciones. Entre ellas se encuentran aleaciones de; acero inoxidable, cromo, titanio, bronce, etc. Más información acerca de la máquina en el apartado 2.7 del Anexo II, adjunto al final de esta memoria. Usos y sectores de aplicación Una de las principales aplicaciones de estas tecnologías es la reparación y mantenimiento de herramientas y utillajes de altas prestaciones. Lo que ahorra muchos costes al evitar tener que fabricar o comprar una pieza nueva. También se utilizan para proporcionar recubrimientos sobre piezas y protegerlas contra la corrosión o el desgaste. (figura 41). El potencial de estas tecnologías, hace que se utilicen mucho en procesos híbridos, combinando las ventajas que tanto el laser cladding (flexibilidad) como el mecanizado CNC (velocidad y precisión) aportan. Dentro de estos procesos híbridos se pueden encontrar centros de mecanizado que ya incorporan un cabezal con el láser 92 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Capítulo 5 Impacto, Estado y Futuro de la FA Tras conocer en mayor detalle los procesos de Fabricación Aditiva, así como sus ventajas e inconvenientes respecto a los sistemas de fabricación tradicional, en este capítulo se analizará el impacto de estas nuevas tecnologías, así como las tendencias o puntos a mejorar en el futuro. Este análisis se dividirá en tres partes: • Sector industrial: impacto a nivel empresarial (productividad, costes, I+D), tendencias y nuevos modelos de negocio. • Consumidor: el impacto sin precedentes que estas tecnologías está teniendo acercando al posibilidad de fabricar al consumidor de a pie (movimiento maker) • Profesionales: el acercamiento tecnológico a las masas, hace que se abra un amplio abanico de posibilidades laborales que hacen que sea de vital importancia la formación en este ámbito de los ingenieros. 5.1 Industria Como se puede apreciar en la siguiente figura y ya se ha expuesto durante este documento, uno de los principales motivos por los que la FA está en auge, es el gran número de liberación de patentes sobre las tecnologías que está aumentando durante la última década. Figura 44. Publicación de patentes sobre impresoras 3d [4] 99 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Con el objetivo de fundamentar este análisis en datos reales, se ha tomado como referencia los resultados obtenidos en dos estudios realizados por las empresas [14] Sculpteo y [16] Stratasys respectivamente. El primero cuenta con una muestra de 1118 encuestados que utilizan tecnologías de fabricación aditiva, de los cuales el 91% se encontraban geográficamente concentrados en Norte América y Europa. Los participantes pertenecen a 16 sectores industriales diferentes. El 58% de la muestra reportó ganancias anuales superiores a los 50 000 dólares y el 23% superiores al millón de dólares. Por su parte el estudio elaborado por Stratasys, obtuvo una muestra de 700 ejecutivos, ingenieros o jefes de producción que utilizan o planean utilizar tecnologías de FA en los próximos 3 años. Esta muestra está geográficamente asentada en Norte América y el 40% de la misma pertenece a compañías que generaron unos ingresos de más de 50 millones de dólares en 2014. A partir de estos estudios se han generado estos gráficos explicativos a modo de conclusión para facilitar su compresión en el material didáctico. En ningún caso se muestran resultados porcentuales exactos, sino una representación proporcional o gráficos de tipo ilustrativos, en base al análisis cruzado de los datos aportados por el estudio. 5.1.1 Impacto Principales aplicaciones Aproximadamente el 80% de los usos principales están destinados a fases del desarrollo de un producto más que a la fabricación de productos finales en si. Figura 45. Gráfico principales aplicaciones de la FA. 100 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Sectores de mayor impacto El sector donde mayor impacto tiene es en los productos de consumo, habiéndose destinado el 26% del total de máquinas de FA en el mundo para producir estos productos. Este dato es normal debido a la gran cantidad de productos abarcables dentro de este sector. Sectores como la industria médica o aeroespacial suponen entre un 10 o un 15% que en proporción es un alto impacto en estos sectores. Principales razones por las que las empresas utilizan métodos de FA Los principales motivos por los que las empresas utilizan FA para fabricar los productos son principalmente dos: Aceleración en el desarrollo de productos. • Fabricación y validación de prototipos. • Energía inversa y validación de los prototipos • Fabricación de herramientas y utillaje. • Capacidad de sustituir varios procesos en la cadena de producción por uno solo. Capacidad de diseño complejo y ofertar productos personalizados. • Capacidad de producir geometrías orgánicas y geometrías internas. • Capacidad de integrar mecanismos en una única pieza. Si bien estos son los principales motivos por los que se usa la FA, y los que mayores beneficios aportan a corto plazo, existen otras ventajas que la FA aporta a las empresas y que podrán tener un impacto en un plazo mayor o incluso abrir nuevas posibilidades a modelos de negocio innovadores. Incrementa la flexibilidad de producción. • Capacidad de introducir modificaciones en el diseño sin que esto impacte de manera significativa en el coste y tiempo de producción. • Capacidad de producir series cortas de variantes de un producto. • Capacidad de producir piezas bajo demanda. • Capacidad de producir diferentes piezas a la vez. 101 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Permite descentralizar la producción. • Un ejemplo es la elaboración de un proyecto en un estudio y su posterior fabricación a partir de los archivos almacenados en la nube en fábricas situadas en distintos países para ahorrar costes de transporte. Disminuye la inversión en utillaje. • Los procesos no requieren de utillaje, como moldes o sistemas de anclaje para la producción. Potencia el servicio postventa. • Permite fabricar piezas bajo demanda a partir de los archivos almacenados. Por lo que se pueden ofertar repuestos de por vida, sin necesidad de invertir en volver a montar toda la cadena productiva y necesitar un volumen alto de producción para rentabilizarlo. 5.1.2 Necesidades de mejora Principales motivos para su no implementación Al igual que con los motivos para su implementación, los principales motivos por los que las empresas no utilizan la FA para fabricar sus productos son dos: Costes de equipamiento. • Los costes del equipamiento son elevados, así como los costes de producción y el mantenimiento de la maquinaria. • El coste de materiales es también más elevado por la necesidad de formatos en bruto específicos y con menor demanda. Limitaciones en los materiales. • Propiedades mecánicas limitadas en algunos materiales o dificultad a la hora de conseguir estructuras homogéneas. • Variedad de materiales disponibles. Cada tecnología funciona con una tipología y formato de material determinado. Los materiales en donde las industrias desean desarrollo son por orden: o Metales. o Materiales de tipo elastoméricos. o Plásticos con alta resistencia térmica. 102 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 o Fibra de carbono. o Materiales con núcleo interno conductor. o Bioplásticos. o Materiales solubles. Existen otros factores que hacen que las empresas todavía estén considerando la implementación de estas tecnologías. Capacidad Productiva. • Relación tiempo/calidad. En la actualidad la FA no es capaz de ofrecer piezas de calidad con una velocidad de producción similar a la obtenida mediante métodos tradicionales. Esto hace que estén en desventaja a la hora de producir en masa series muy amplias. • Volúmenes de fabricación. Son por lo general limitados y menores que los de tecnologías tradicionales. • Sistemas de producción híbridos. Estas limitaciones hacen que por lo general se uses sistemas de FA en conjunto con sistemas de fabricación tradicionales. Es por tanto, en general a día de hoy, un aliado a la Fabricación Tradicional más que un sustituto. Falta de un marco legal claro. • Falta de un marco legal claro a nivel internacional, una normativa, que asegure la calidad de las piezas y de los procesos y materiales utilizados. • Esto es en lo que están trabajando los organismos ISO TC261, ASTM F42 y recientemente CEN/TC 438. Necesidad de formar al personal. • Al tratarse de unas tecnologías relativamente nuevas, requiere de personal cualificado para su utilización. Por lo que hasta que no se disponga del mismo no se podrá aprovechar correctamente estas tecnologías. 5.1.3 Futuro y Tendencias Actitud de las empresas hacia la FA Alrededor del 65% de las empresas planea invertir en FA en los próximos tres años. El 45% de estas planea invertir el doble de lo invertido este año el año próximo. Y el 60% planea destinar parte de la inversión en contratar y formar personal especializado en FA. 103 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Cambios en los próximos 5 años Se puede apreciar como la tendencia es que poco a poco se vaya utilizando la FA para producir más piezas útiles, ya sea para potenciar la producción o directamente para producir piezas terminadas y listas para el consumo. Figura 46. Actitud de las empresas hacia la FA. Figura 47. Variación de las principales aplicaciones de la FA en los próximos 5 años. 104 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 5.2 Consumidor El reciente auge de la maquinaria -sobretodo FFFde bajo coste en el mercado, hace que los consumidores no sólo tengan posibilidad de comprar productos personalizados, sino que ahora pueden fabricar sus propios productos. Esto permite agrupar de manera generalizada a los consumidores en dos grandes grupos: • Los hacedores son los usuarios que diseñan y fabrican objetos por si mismos. Suelen tener un perfil más especializado. • Usuarios acostumbrados al modelo usual en el que esperan una experiencia cómoda en la que simplemente tengan que comprar los ficheros para poder “imprimirse” sus productos. 5.3 Profesionales Esta repercusión en la industria y en los consumidores hace que profesionales con el perfil de un Ingeniero. Y de un ingeniero en Diseño Industrial y Desarrollo de Productos en particular, esté muy demandado. Además abre nuevas posibilidades y multiplica las posibilidades de emprender un proyecto con éxito. La fuerte irrupción de las máquinas FA de bajo coste convierte a los Ingenieros y profesionales en potenciales consumidores de estas tecnologías. Haciendo que cobre más fuerza los movimientos “Maker” y “DIY”. Esto se traduce en la creación de una comunidad mundial en la que se comparte conocimientos y proyectos. El principal exponente tangible de esta comunidad es el Fab lab (acrónimo del inglés Fabrication Laboratory) es un espacio de producción de objetos físicos a escala personal o local que agrupa máquinas controladas por ordenadores. Fab Lab Es una plataforma que estimula la emprendimiento mediante la conexión en red global de estudiantes, educadores y diferentes perfiles profesionales con la innovación como denominador común. La red de Fablabs se extiende en más de 30 países con hasta la fecha 669 laboratorios que comparten metodología, herramientas de libre acceso y procesos; facilitando la colaboración en cualquier parte del mundo. 105 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Según la definición de la Fab Foundation, el concepto de Fab Lab se puede sintetizar en los siguiente apartados: • Misión: los fab labs son una red global de laboratorios locales que favorecen la creatividad proporcionando a los individuos herramientas de fabricación digital. • Acceso: cualquier persona puede usar el Fab lab para fabricar casi cualquier cosa (que no haga daño a nadie); debe aprender a hacerlo por sí solo y debe compartir el uso del laboratorio con otros usuarios. • Educación: la enseñanza en el Fab Lab se basa sobre proyectos en progreso y aprendizaje entre pares; los usuarios deben contribuir a la documentación y a la instrucción. • Responsabilidad: los usuarios son responsables de : o Seguridad: saber trabajar sin dañar a las personas ni a las máquinas. o Limpieza: dejar el laboratorio más limpio aún que antes de usarlo. o Operaciones: contribuir al mantenimiento, reparación y coordinación de los suministros y la maquinaria. o Confidencialidad: los diseños y los procesos desarrollados en los Fab labs deben quedar e libre acceso para la comunidad, aunque la propiedad intelectual pueda ser protegida según elección del usuario. o Negocio: actividades comerciales pueden incubarse en los Fab labs pero no pueden entrar en conflicto con el acceso abierto; se espera que esos negocios beneficien a los inventores, laboratorios y redes que han contribuido a su éxito. Cada vez más centros educativos y otras instituciones están adoptando el modelo de Fab Lab. Por ejemplo en Barcelona se está disponiendo una red de “Ateneos de Fabricación” en los que bajo la filosofía Fab Lab los vecinos pueden ir a aprender y realizar proyectos que aporten productos positivos para el barrio o el propio ateneo. Comunidades y tiendas en línea También existen otras comunidades online en la que se comparten diseños y proyectos, ya sea para buscar ayuda a la hora de desarrollar el proyecto o simplemente para aportarlo de manera desinteresada al Patrimonio Tecnológico de la Humanidad y que cualquiera pueda aprender del proyecto original e incluso mejorarlo, como se hizo con el proyecto RepRap. Es importante que el trabajo compartido en estas comunidades 106 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 abiertas este protegido bajo licencia Creative Commons[14] para evitar apropiaciones indebidas y usos indeseados. Los ejemplos más conocidos son Thingiverse[15] como repositorio abierto de modelos 3D o Instructables[6] que es un repositorio abierto de proyectos DIY. Hay otras comunidades en las que además de compartir se puede conectar para contratar u ofrecer servicios. Ya sea por encargos de diseño y modelado 3D. Simplemente diseñando y subiendo o comprando piezas a la tienda. También se puede ofertar y contratar infraestructura como máquinas para fabricar un lote de pieza. MyMiniFactory[10] es un ejemplo de tienda de modelos y servicios 3D y 3dHubs[1] un servicio de piezas bajo demanda. Las grandes empresas como 3DSystems [18], Protolabs [19] y Stratasys [20] entre otras, también aprovechan la drástica reducción de la Escala Mínima Eficiente que permite la FA, para ofertar servicios de fabricación bajo demanda en los que el cliente puede subir las piezas y elegir los parámetros y unidades a fabricar, obteniendo presupuesto y plazo de entrega en un breve espacio de tiempo. Crowdfonding y emprendimiento Además de tener herramientas para desarrollar proyectos de manera más rápida y a un coste menor, siguiendo con la cultura colaborativa, cada vez existen más plataformas en internet de “Crowdfunding” o micromecenazgo. El funcionamiento varía en función de la plataforma y el tipo de proyecto pero por lo general se puede sintetizar de la siguiente manera: • El emprendedor presenta su proyecto en uno de estos escaparates digitales por un tiempo limitado y con una meta de recaudación mínima fija. • Las personas interesadas pueden compartir el proyecto además de apoyarlo económicamente de manera desinteresada por simpatizar con el mismo o a cambio de recompensas que ofrezca el emprendedor, como acceder al producto de manera anticipada o más económica. • Una vez cumplido el plazo, si se ha alcanzado la meta el emprendedor recibirá la financiación y deberá cumplir con las promesas estipuladas en las recompensas. De no llegar al objetivo deberá devolver la financiación a sus mecenas. Estas plataformas en combinación con la capacidad de la FA de reducir el capital necesario para para iniciar la manufacturación y eliminar la necesidad de economías de 107 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA escala permite a los emprendedores cuantificar y reducir los recursos para poder realizar la producción del proyecto de manera exitosa. 108 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 6.1.1.2 Consideraciones de intercambio de archivos • Nivel de mallado: al convertir el CAD a .STL o .AMF la geometría queda definida por una malla. En función del tamaño de los triángulos de la misma se obtendrá un nivel de detalle. Es fundamental adecuar el tamaño de malla a la resolución necesaria en el proceso de fabricación. Cuanto menor el tamaño de los triángulos mayor será el nivel de detalle y mejor el acabado superficial. Además es fundamental que la máquina soporte esa resolución. • Comunicación e intercambio de archivos: al igual que con los procesos de fabricación por CNC los programas y archivos cuentan con la información necesaria para su fabricación, por tanto podría simplemente cargarse el programa y empezar la fabricación. Es vital realizar documentación para que durante el proceso de fabricación todo el personal involucrado conozca las unidades y detalles constructivos fundamentales, pudiendo así revisar y evitar errores. A su vez se debe considerar la compatibilidad entre formatos y programas utilizados o las consecuencias que un cambio de formato puede producir en el archivo. 6.1.2 Consideraciones del material Para seleccionar el material es fundamental conocer las propiedades que ofrece en función de su tipo y la tecnología con la que se utilicen. En términos generales los procesos de FA producen piezas con propiedades anisótropas mayores que en la mayoría de procesos tradicionales. 6.1.2.1 Propiedades mecánicas • Resistencia a la tracción: esta propiedad dependerá de la orientación de la pieza durante la construcción. • Resistencia a la flexión: esta propiedad dependerá también de la orientación de la pieza durante la construcción. • Resistencia a la compresión: está propiedad se ve menos alterada en función de la orientación de construcción. • Resistencia a la fatiga: en muchos casos las piezas producidas por FA tiene baja resistencia a la fatiga por la propia construcción por capas que facilita la propagación de las fisuras. Es fundamental conocer el principales eje de carga al que será sometida al pieza para orientarlo en el eje de construcción y así reforzar la resistencia ante este fenómeno. Un buen acabado superficial, sin saltos entre capas también favorece la resistencia a este fenómeno. 115 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA 6.1.2.2 Propiedades térmicas • Temperatura de distorsión térmica: es la temperatura a la cual un polímero se deforma bajo una carga específica, es fundamental tenerla en cuenta para piezas que van a utilizarse en entornos con temperaturas por encima de la temperatura ambiente. También es vital controlarla para adecuar los tiempos de fabricación y evitar que las capas superiores hagan colapsar a las inferiores. • Punto de fusión: es fundamental conocer esta propiedad para adecuar los parámetros de la máquina y evitar problemas como el solapamiento de capas. 6.1.2.3 Otras propiedades Evidentemente es importante tener en cuenta otra serie de propiedades en función de los requerimientos de uso de la pieza, tal y como se hace con piezas manufacturadas por procesos convencionales. Algunos ejemplos son las propiedades eléctricas; la resistencia a la inflamabilidad o a agentes químicos; la densidad del material; y la dureza en caso de piezas metálicas. 6.1.3 Consideraciones de sostenibilidad En la actualidad cada vez es más importante mantener un control sobre el impacto medioambiental que supone la producción industrial. Es por ello que los objetos producidos por FA también deben cumplir con la regulación vigente y aprovechar las ventajas que estos aportan para reducir todo lo posible el impacto. 6.1.3.1 Reducción de material La FA no sólo permite desperdiciar menos material que por métodos de fabricación convencionales. También permite reducir el material utilizado para fabricar componentes. Lo que en industrias como la aeronáutica se puede traducir en un ahorro en combustible de millones de litros al año con su consiguiente reducción en emisiones de Co2 debido al aligeramiento de una aeronave. 6.1.3.2 Reciclaje y Código de identificación Por lo general todos los materiales metálicos son reciclables. Las resinas empleadas en Chorro de Material y Fotopolimerización en tanque no son reciclables. El resto de procesos utilizan materiales por lo general reciclables (teniendo en cuenta la degradación típica asociada a este proceso). Los realizados en materiales 116 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 plásticos reciclables deberán estar correspondientemente marcados con sus códigos de identificación según el RIC (Resin Identification Code). 6.1.3.3 Impacto del Ciclo de vida del producto El ciclo de vida de un producto tiene un impacto en el planeta desde que se obtienen los materiales hasta que el producto es finalmente desechado, reutilizado o reciclado. Para conocer el impacto que tiene la producción de este objeto por procesos de FA, estos se compararan con proceso tradicionales. A pesar de que en primera instancia un proceso e FA pueda requerir de más energía que un proceso convencional, la reducción de recursos necesarios para la producción a lo largo de toda la cadena puede ser suficiente como para que sea una alternativa más eficiente y sostenible. Por tanto, para elegir la utilización de una tecnología de FA con respecto a otra u otro proceso tradicional, es fundamental analizar las consecuencias que va a tener este proceso junto con el material utilizado en el impacto del ciclo de vida del producto en el planeta. 6.1.4 Consideraciones de negocio Se debe tener en cuenta una serie de factores para decidir si producir el producto utilizando FA es la opción más rentable. 6.1.4.1 Aportación de valor Lo primero a considerar es si la FA realmente aporta un valor al producto que no se puede obtener por métodos de fabricación tradicionales. Esto puede hacer que el producto sea una innovación y por tanto ser más atractivo en el mercado. 6.1.4.2 Costes Si el producto es realmente innovador se puede asumir una serie de sobrecostes y riesgos adicionales, sin embargo hay que considerar si finalmente será un producto rentable. En caso de no aportar realmente un valor demasiado distintivo habrá que estudiar si realmente es rentable la producción utilizando FA en lugar de métodos tradicionales. Además habrá que analizar qué tecnología de FA se adapta al proyecto y es la más rentable. 117 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA 6.1.4.3 Capacidad productiva Entre los principales motivos por los que muchas empresas no han comenzado a implantar la FA en sus cadenas productivas es por la baja productividad a gran escala que estas ofrecen. Por tanto, se debe analizar la estrategia de mercado correctamente para saber si la FA puede cumplir con la demanda del producto. 6.1.4.4 Otras consideraciones Al igual que con procesos de fabricación tradicionales, la producción seguirá una cadena en la que se debe integrar estos procesos. Por tanto la inversión a realizar no sólo es en una máquina de FA, se tiene que considerar el tiempo de amortización de la misma, el personal que la va a hacer funcionar, los postprocesos asociados a esas tecnologías, el tratamiento de los residuos, etc. Con el fin de reducir riesgos e inversión, considerar la probabilidad de subcontratar la producción es una buena opción, ya que la FA permite ofertar precios competitivos sin necesidad de producir series largas. 6.2 Diagrama de flujo para utilizar FA Con todas las herramientas y conocimientos recogidas en este documento, el ingeniero podrá seleccionar la tecnología de FA adecuada a las necesidades de cada parte del proceso productivo. Esta toma de decisiones se puede facilitar y resumir en el siguiente diagrama de flujo: Figura 48. Diagrama de flujo para utilizar la FA. Diseño planteado a partir de [4] 118 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Para comenzar, se debe identificar el potencial que ofrece fabricar el producto por FA frente a los métodos tradicionales. Esto se puede hacer en función de las ventajas y desventajas que la FA ofrece (apartado 3.5, capítulo 3). De ser un potencial medio-alto se considerará que se puede utilizar FA frente a otros métodos de fabricación tradicional. De ser bajo, se puede seguir utilizando la FA para abaratar los costes y acortar los tiempos de desarrollo del producto. Tomada esta decisión, es el momento de seleccionar que tecnología es la más adecuada en función de la fase en la que se encuentre el proyecto. Esta selección se puede hacer siguiendo los dos siguientes pasos. Primero, se debe identificar los requerimientos de la pieza a fabricar en función a la fase de desarrollo del proyecto en la que se encuentre. Este paso no tiene que tomarse como lineal, dado que si desde un inicio se conocen o se intenta plantear los requerimientos de la pieza final, será más sencillo y económico seleccionar o adaptar las tecnologías utilizadas durante todo el proceso de diseño y desarrollo del producto. Segundo, en función de estos requerimientos podrá realizar una rápida comparativa entre las 7 categorías de procesos de FA fundamentales, recogida en la siguiente figura. Figura 49. Primera fase de selección de proceso de FA. Diseño planteado a partir de [2] 119 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Una vez elegida la tecnología, se seguirá con el flujo del diagrama de la figura 34, repitiendo el ciclo hasta llegar a la producción del producto final. Es posible que una producción completa por FA sea económicamente inviable, por tanto la FA no tiene porque ser un sustito de los métodos tradicionales sino un complemento para desarrollar y producir un producto. Para comprender mejor el funcionamiento del diagrama de flujo se presenta el siguiente caso práctico [7]. Con el motivo de las elecciones presidenciales de la Unión Europea acogidas este año 2016 en Ámsterdam, se debía construir un palacio de congresos para albergar el acontecimiento. Dicha edificación tendría un carácter temporal dado que sólo era necesaria durante las elecciones. Para la ornamentación exterior se quería conseguir unas estructuras singulares de color azul que recordaran al agua con motivo de la temática naval de la edificación en la ciudad de los canales. Por ello, la fabricación aditiva era un recurso claramente idóneo para esa tarea. Tras detectar el alto potencial de la FA en este proyecto, gracias a que permite libertad en el diseño y la parametrización del mismo para adaptarlo a las diferentes Figura 50. Comparativa de características de las 7 categorías de FA. Diseño planteado a partir de [2] 120 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 secciones donde se va a utilizar, se avanza a la Primera fase de selección del proceso de FA. Debido a la temporalidad de la edificación, las estructuras fabricadas por FA deberían ser: ligeras y con el menor número de piezas posibles para facilitar su transporte, montaje y desmontaje; a la vez estar compuestas por materiales biodegradables y reciclables. Además de cumplir una función decorativa, la geometría producida generaría superficie de asiento para los visitantes, por tanto tendría que ser capaz de resistir estos esfuerzos y su exposición a la intemperie. Partiendo con la ventaja de conocer de antemano los requerimientos fundamentales del objeto final, esta primera fase se afronto de forma inversa a la planteada en el esquema. Esto se hace, con el objetivo de tratar de seleccionar una sola tecnología para desarrollar el proyecto en su totalidad y así poder; conseguir mejores resultados, ahorrar tiempo y dinero en su desarrollo. Pasando a la tabla de comparación de las 7 categorías (figura 50), lo primero es seleccionar una categoría que utilice un material que cumpla con los requerimientos establecidos. Los polímeros termoplásticos y el papel parecen los únicos que cumplen con esta premisa. Quedando sólo seleccionables; la extrusión de material, la fusión de lecho de polvo y la laminación en hoja. Las tres categorías presentan a priori características muy similares en cuanto a la resistencia y estabilidad del material, sin embargo, el acabado superficial obtenido con las dos últimas es algo poroso por lo que requerirán de postprocesados que haga que las piezas puedan resistir mejor a la intemperie. Además al conocer de antemano que se debe tratar de conseguir piezas de grandes volúmenes para facilitar el montaje, la extrusión de material es la categoría que permite escalar la maquinaria con mayor facilidad para producir piezas de gran tamaño que incluso podrían ser producidas insitu. Una vez elegida la extrusión de material, se hicieron modelos a escala para refinar el diseño hasta conseguir la estética deseada (conceptualización). Estos también sirvieron para asegurar el correcto ajuste entre las piezas y la fachada (prueba de montaje/ajuste). La extrusión de material permite también controlar la cantidad de material de relleno en las paredes de la pieza. Durante las pruebas funcionales, se determino la dificultad de obtener piezas ligeras que a su vez aseguran la integridad de 121 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA la estructura en las zonas destinadas para sentarse sin que el precio y la complejidad del montaje se dispararan. Sin embargo, para la producción final se opto por aprovechar esta innovación y el diseño planteado en combinación con un método de construcción tradicional, para así conseguir que el proyecto fuera económicamente rentable. Para esto, se utilizó una máquina de extrusión de material de gran escala que permitía producir las piezas de ornamento en un solo cuerpo y las zonas de asiento fueron rellenadas con un hormigón ligero, una vez las estructuras ya estaban correctamente fijadas. Figura 51. Fachada edificio Europa en Ámsterdam [7] 122 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Referencias [1] 3D Printing vs Injection Molding eBook. (s. f.). Recuperado 9 de abril de 2016, a partir de http://www.sculpteo.com/en/get/ebook/3Dprinting_vs_injection/ [2] Creación de prototipos. (s. f.). Recuperado 9 de abril de 2016, a partir de http://www.protolabs.es/resources/whitepapers/2015/prototyping-processes/ [3] La impresión en 3D y los procesos de fabricación tradicionales. (s. f.). Recuperado 9 de abril de 2016, a partir de https://www.sculpteo.com/es/impresion3d/la-impresion-en-3d-y-los-procesos-de-fabricacion-tradicionales/ [4] Norma ISO/DIS 20195:2015. Guía de diseño para la fabricación aditiva. (2015). Recuperado 17 de mayo de 2016. [5] Norma ISO/ASTM 52900:2015. Principios generales para la fabricación aditiva, Terminología. (2015 ). Recuperado 17 de mayo de 2016. [6] Norma ISO/DIS 17296-2:2015. Principios generales para la fabricación aditiva, Parte 2 Descripción general de categorías de procesos y materia prima. Recuperado 17 de mayo de 2016. [7] DUS Architects Amsterdam - Europe Building. Recuperado 7 de junio de 2016, a partir de http://www.dusarchitects.com/projects.php?categorieid=publicbuildings 123 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Para facilitar esta interacción el programa Ibooks author cuenta con una serie de “widgets” interactivos que hacen que la experiencia sea aún más rica que la obtenida con otros programas de maquetación. • Galería: permite añadir una galería con varias fotos de alta calidad. • Multimedia: permite añadir vídeos explicativos de apoyo para las explicaciones. • Repaso: permite añadir cuestionarios para comprobar si los conceptos han quedado claros. • Keynote: permite añadir presentaciones ya generadas para aumentar la información. • Imagen interactiva: Permite añadir anotaciones desplegables para expandir la información presente en una imagen. • 3D: permite añadir modelos 3D para que el usuario los explore. • Barra lateral de desplazamiento: Permite dejar una interfaz más limpia y con espacios al poder añadir largos textos en espacios pequeños. • Ventana emergente: Permite añadir información escondida sobre una imagen o figura, para mantener la interfaz más limpia. • HTML: permite enlazar contenido web, por lo que se puede tener información totalmente actualizada en tiempo real. La navegación por el documento es muy dinámica e intuitiva como cualquier otra aplicación para móviles u ordenador. Sin embargo, con el fin de asegurar una experiencia simple y sin problemas, se añadirá al principio del documento unas diapositivas expiatorias que guiarán al usuario en la navegación e interacción. Figura 54. Widgets Ibooks Author 131 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Figura 55. Diapositiva: ¿Como funciona el libro? I Figura 56. Diapositiva: ¿Como funciona el libro? II 132 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Distribución de elementos Las pantallas del material didáctico se dividen en pantallas de Capítulo y pantallas de Sección con sus respectivas páginas de desarrollo. En cuanto a las páginas de Capítulo, que hacen las funciones de portada del miso, la distribución de los elementos será la indicada en la siguiente figura. Constará de una imagen de fondo relacionada con lo tratado en el tema que sea preferentemente sobre un fondo negro para mantener una homogeneidad en las páginas de capítulo y que sea más fácil la navegación del documento en la vista de carrusel. Figura 57. Distribución pantalla capítulo 133 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA En la sección inferior izquierda el texto variará. Presentándose el índice al posicionarse sobre la pantalla del capítulo y dando la posibilidad de acceder directamente a cada uno de los puntos mostrados en el mismo. Por otro lado el texto pasará a ser una introducción del capítulo en cuestión una vez se accede al interior del capítulo. Para el diseño de las pantallas de Sección, donde se desarrolla el contenido de cada capítulo, se sigue el siguiente esquema. Figura 58. Vista de carrusel a la izquierda, vista dentro del capítulo a la derecha Figura 59. Distribución pantalla “Sección” 134 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 El encabezado ocupa una superficie de 100 puntos; en el encontraremos el número del capítulo al que pertenece esa sección y debajo con un mayor tamaño de fuente el título de la sección; a la derecha se sitúa el logo de la universidad conformado por capas para adaptarlo a la temática del material didáctico. En cuanto a los otros márgenes, se dejan 50 puntos tanto para los laterales como para el inferior. Encontramos la numeración de página en la esquina superior derecha de este último margen. El resto de la superficie de la pantalla, respetando el margen delimitado por la línea de puntos, será utilizada para disponer la información e imágenes que ilustrarán el material didáctico. Las páginas pertenecientes a la sección seguirán el mismo diseño, pero pasando el encabezado a negativo (Figura 44), esto permitirá al usuario distinguir rápidamente dónde empieza cada sección y qué páginas pertenecen a las mismas, tal y como se ve en la vista de carrusel de la Figura 43. Color El diseño del material didáctico trata de ser lo más sobrio y minimalista posible, con el fin de centrar la atención en el contenido y simplemente servir de guía para la navegación a la vez que se asocia la autoría del mismo. Por ello se opta por utilizar una gama de colores no muy amplia en la que se utilicen los colores corporativos de la ULPGC. Figura 60. Pantalla inicio de sección a la izquierda, pantalla perteneciente a dicha sección derecha. 135 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Al margen de la utilización del negro y el blanco en la pantalla de capítulos, el color utilizado para el encabezado de las secciones es: Para los textos del cuerpo del documento se utilizan varias tonalidades de gris en conjunción con la variación del tamaño de fuente para diferenciar entre los distintos niveles de información, títulos, texto, leyendas de imagen, etc. Tipografía La familia tipográfica elegida para el material didáctico es la Helvetica Neue, por su claridad, buena legibilidad y sensación de calidad y modernidad que transmite. Para distinguir diferentes niveles de información esta tipografía se variará en tamaño de fuente y estilo (negrita, cursiva, subrayado). En la pantalla de capítulo se utiliza: • Encabezado: o Fuente de 18 puntos en negrita para designar el número del capítulo. • Cuerpo: o Fuente de 50 puntos en negrita para designar el nombre del capítulo. o Fuente de 18 puntos para el cuerpo del texto tanto en la introducción como en el índice. En las pantallas de sección se utiliza: • Encabezado: o Fuente de 14 puntos en negrita para designar el número del capítulo. o Fuente de 36 puntos en negrita para designar el nombre de la sección. • Cuerpo: o Fuente de 18 puntos en negrita y mayúscula para los títulos de párrafo. o Fuente de 15 puntos normal para el texto. 136 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 o Fuente de 16 puntos en negrita para el título de imágenes y elementos multimedia. o Fuente menor de 14 puntos cursiva para las leyendas de imágenes y elementos multimedia. o Fuente menor de 14 puntos para cualquier otro texto que no forme parte del cuerpo principal. • Pie de página: o Fuente de 14 puntos para la numeración de página. Imágenes y Gráficos Las imágenes utilizadas en el documento deben ser de una calidad alta. Los formatos utilizados son .jpg y .png. El formato de los gráficos serán archivos vectoriales, para asegurar una correcta reproducción en cualquier resolución, incluida la proyección en clase. Estos gráficos también seguirán una gamas de colores en concordancia con los colores corporativos planteados en el apartado correspondiente con anterioridad. Se embeberá otro contenido multimedia como vídeos utilizando HTML para reproducirlos desde la red y así aligerar el peso del archivo. El formato para los gráficos en 3d es .dae. Todas las imágenes y demás contenido multimedia irá acompañado de una leyenda explicativa junto con la autoría de la misma en caso de ser de una fuente externa. 137 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA 7.3 Contenido En lo que al contenido se refiere, toda la información extraída durante el proceso de investigación de este TFG y recogida en la presente memoria, se sintetiza y vuelca en el material didáctico, siguiendo la estructura mostrada en este esquema. Figura 61. Esquema estructura de contenido del material didáctico. Con el objetivo de ilustrar mejor la estructura y las mecánicas de funcionamiento del material didáctico, a continuación se van a presentar y explicar algunas diapositivas -del capítulo 6 del material didácticode ejemplo. 138 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 Figura 62. Portada capítulo 6 Fotopolimerización en tanque A lo largo de este capítulo, no se hace mención acerca de botones de navegación, un recurso muy utilizado en este tipo de documentos electrónicos. Sin embargo, en este caso no es necesario integrarlos en la pantalla de contenido, ya que estos botones aparecen de forma contextual cuando el usuario se acerca con el ratón a los extremos de la página o son directamente visibles en los dispositivos táctiles (figura 63). Figura 63. Botones contextuales 139 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA Como ya se aprecia en el apartado de Disposición de los elementos, la disposición que permite el programa hace que no sea necesario ocupar una gran parte de la cabecera de las diapositivas con un menú de navegación. Si el usuario quiere hacer una navegación no continua, en la que da saltos entre secciones y capítulos, tiene dos formas de hacerlo. Una es entrar en la vista de carrusel (vista minimizada por capítulos) haciendo el gesto de “zoom –“ que se le enseña al principio del documento (figura 64) Figura 64. Vista de carrusel La otra es acceder a la tabla de contenidos tal y como se muestra en la figura 65. Esta característica se encuentra en cualquier otro formato digital, sin embargo, el programa la crea y actualiza de manera automática a la vez que se va confeccionando el material didáctico. 140 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 CAPÍTULO 8 Conclusión Capítulo 8 Conclusión 8.1 Conclusión Con la determinación de cumplir los objetivos planteados al inicio de esta memoria, se ha realizado una búsqueda y análisis de información exhaustivos que me ha permitido obtener las siguientes conclusiones. Si bien, se partía de la premisa de la importancia de la utilización de recursos didácticos para la enseñanza y formación del alumnado, el proceso seguido durante la elaboración de este TFG ha reforzado estas bases. Por, ello se ha desarrollado una estructura de contenidos y de navegación que hará que el usuario del material pueda asimilar los conceptos de manera intuitiva. Dotándolo de gráficos y otros recursos interactivos que se ajustarán al nivel del usuario, haciendo que este pueda obtener una idea básica de los conceptos y una vez los tenga asimilados pueda reforzarlos o profundizar en mayor medida. En lo referente a la temática de este material didáctico, la Fabricación Aditiva, es un método de fabricación relativamente nuevo, con un gran potencial, que actualmente se encuentra en auge y cuyo impacto no hará más que crecer durante los próximos años. Por tanto, es vital que un perfil profesional, como el de los ingenieros en general y de los ingenieros en DIDP en particular, este ampliamente formado en estas materias de cara a afrontar su futuro laboral. El hecho de que la FA sea un método de fabricación asistidos por ordenador, hace que guarde ciertas similitudes con otros procesos de fabricación por control numérico tradicionales. Esto puede suponer un punto de partida que facilitará la comprensión del proceso de utilización de las mismas. Sin embargo, existen siete categorías de FA según el formato en el que se aplica el material. Conocer las ventajas y limitaciones que estas ofrecen. Así como las especificidades de cada proceso dentro de las tecnologías aditivas, permitirá obtener el máximo rendimiento a la hora de desarrollar un producto. A pesar del fuerte impacto que está teniendo y que seguirá aumentando, estas tecnologías también tienen contrapuntos frente a los métodos tradicionales. Por tanto, no deben ser concebidas como un sustitutivo de las mismas, sino como otra 149 GRADO EN INGENIERÍA EN DISEÑO INDUSTRIAL Y DESARROLLO DE PRODUCTOS ALEJANDRO GUTIÉRREZ BARCENILLA herramienta más que el ingeniero debe manejar para combinarlas y poder así desarrollar productos de la manera más eficiente posible. Actualmente existe muy poca normativa internacional que regule la FA. Organismos como la ASTM e ISO están estudiando y trabajando en la redacción de estas, lo que permitirá impulsar de manera definitiva la implementación industrial de estas tecnologías, con el consiguiente impacto económico que esto supondrá a nivel global. En definitiva, se considera que los objetivos del TFG han sido cumplidos, ya que se ha elaborado un material didáctico interactivo, orientado a las tecnologías de Fabricación Aditiva. En este, se sintetiza la información recogida y analizada en esta memoria, haciéndolo útil para la docencia , tanto para impartir las clases como para el posterior estudio autónomo por parte de los estudiantes. 150 DESARROLLO DE UN MATERIAL DIDÁCTICO ORIENTADO A LAS TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN ADITIVA CURSO ACADÉMICO 2015-2016 ANEXOS Anexos Índice Anexo I Material didáctico……………………………………………………………………...5 Anexo II Datasheets…………………………………………………………………………….....21 2.1 Fotopolimerización en tanque. Envisiontec, Perfactory 4DDP 23 2.2 Chorro de material. Stratasys, Polyjet Object1000 Plus 26 2.3 Extrusión de material. BCN3DTechnologies, BCN3D+ 30 2.4 Fusión de lecho de polvo. Arcam, Arcam Q10plus 37 2.5 Chorro de aglutinante. 3DSystems, ZPrinter 450 44 2.6 Laminación de hojas. Mcor, Mcor Arke 48 2.7 Deposición de energía dirigida. Huffman, HC-205 51 ANEXO I Material Didáctico 5