Ejercicios: Prototipado rápido y fabricación digital

Explicá qué es el prototipado rápido y por qué conviene fabricar y probar un prototipo antes de lanzar la producción en serie de un producto.

Estas etapas del proceso de impresión 3D por deposición fundida (FDM) están desordenadas: (a) imprimir la pieza capa a capa, (b) modelar la pieza en un programa CAD, (c) retirar soportes y repasar el acabado, (d) laminar el modelo con un programa «slicer» que genera las trayectorias. Ordenalas y explicá qué se hace en cada una.

La figura muestra el flujo de trabajo de la fabricación aditiva, pero una etapa está tapada con un signo de interrogación, como se muestra en la figura.

Indicá qué etapa falta, qué programa se utiliza en ella y qué información genera para que la impresora pueda trabajar.

Explicá qué es un archivo STL, qué programa lo genera (el CAD al exportar el modelo) y qué otro programa lo convierte después en instrucciones para la impresora 3D.

En la impresión FDM, ¿qué es la altura de capa? Explicá cómo influye en el tiempo de impresión y en el acabado de la superficie de la pieza.

Explicá qué es el relleno (infill) de una pieza impresa en 3D y por qué una pieza al 100 % de relleno no siempre es necesaria (peso, tiempo y material que consume frente a resistencia que aporta).

Explicá qué es una fresadora de control numérico (CNC) y cuál es la diferencia fundamental de su proceso frente a una impresora 3D (quitar material de un bloque frente a añadir capas).

Explicá qué es el corte por láser, qué materiales típicos de un taller escolar puede cortar (cartón, madera, acrílico) y una ventaja frente a cortar esas piezas a mano.

Distinguí entre fabricación aditiva, fabricación sustractiva y conformado de materiales, y poné un ejemplo de técnica y de producto para cada una de las tres.

Querés fabricar un soporte de celular para tu escritorio y dudás entre imprimirlo en 3D o cortarlo con láser en acrílico. Comparé ambas opciones (geometría posible, tiempo, acabado, material) y justificá cuál elegirías.

Explicá qué es la fabricación bajo demanda y analizá qué ventajas ofrece frente a mantener una gran bodega de piezas de repuesto, poniendo como ejemplo los repuestos de electrodomésticos viejos.

Una pieza de $60\ \text{mm}$ de altura se imprime con capas de $0.2\ \text{mm}$ y cada capa tarda unos $30\ \text{s}$. (a) Calculá cuántas capas tendrá y el tiempo total de impresión, expresado en horas. (b) Calculá el nuevo tiempo si se baja la altura de capa a $0.1\ \text{mm}$. (c) Comentá qué se gana y qué se pierde con ese cambio.

En FDM, los voladizos de más de unos $45^\circ$ necesitan soportes. Explicá qué es un soporte de impresión, qué problema resuelve y cómo cambiarías la orientación de una pieza con forma de «T» para imprimirla sin soportes, justificando tu elección.

Compará los filamentos PLA, PETG y ABS: facilidad de impresión, resistencia mecánica, resistencia al calor y a la intemperie, y vapores durante la impresión (ventilación). Elegí uno para una pieza que va a estar a la intemperie en un jardín y justificalo.

Vas a diseñar una funda de celular para fabricarla en serie. Describí la cadena de prototipos que harías antes de pagar el molde de inyección (maqueta de cartón, prototipo impreso en 3D, pequeña serie de validación) y qué valida exactamente cada prototipo (tamaño, encaje, uso real, proceso).

Algunas compañías ferroviarias imprimen en 3D piezas de repuesto de trenes antiguos cuyo fabricante ya no existe. Analizá qué ventajas aporta esto frente a buscar la pieza original (plazos, lotes mínimos, obsolescencia) y qué requisitos debe cumplir la pieza impresa para entrar en servicio (material certificado, ensayos, trazabilidad).

Una pequeña empresa quiere fabricar 200 empuñaduras personalizadas para bicicleta. Analizá si le conviene producirlas con impresión 3D o con moldeo por inyección, tomando en cuenta el costo por pieza, el costo del utillaje inicial, los tiempos y la posibilidad de personalizar, y concluí con una recomendación.

La impresión 3D FDM tiene limitaciones: las piezas son más débiles entre capas y los voladizos grandes necesitan soportes. Analizá cómo deberías orientar y rediseñar una pieza con forma de «L» para imprimirla con la máxima resistencia, justificando tus decisiones.

Una empresa compara producir una pieza por impresión 3D ($1{,}\$20$ por pieza, sin herramental) o por inyección de plástico (molde de $\$900$ más $0{,}\$40$ por pieza). (a) Calculá el costo total de cada opción para 300 piezas. (b) Calculá a partir de cuántas piezas compensa el molde. (c) Decidí qué proceso elegirías para 300 y para 2000 piezas, justificando tu decisión con los números.

En el laboratorio de tecnología impresionaron tres piezas de prueba con distintos fallos característicos. Diagnosticá la causa física concreta de cada problema y proponé una solución técnica ajustando parámetros en el laminador (slicer) o condiciones de la máquina: (a) Una caja plana de ABS de $15 \times 15\text{ cm}$ se ha impreso con las cuatro esquinas curvadas hacia arriba, despegándose parcialmente de la cama calefactada a $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ en una sala a $18\text{ }^{\circ}\text{C}$. (b) Un cilindro hueco de PLA impreso a $210\text{ }^{\circ}\text{C}$ con el ventilador de capa al $100\ \%$ presenta un acabado exterior limpio, pero se fractura con facilidad al mínimo esfuerzo de tracción a lo largo de un plano horizontal entre capas adyacentes. (c) Una pieza con paredes sólidas presenta líneas incompletas, huecos internos y fragilidad tras cambiar la boquilla de $0.4\text{ mm}$ a $0.8\text{ mm}$ manteniendo la velocidad en $60\text{ mm/s}$ y la temperatura habitual. Explicá qué limitación de caudal volumétrico ha provocado esta subextrusión y cómo corregirla.

Hay que entregar 30 llaveros personalizados (cada uno con un nombre distinto) en una semana. Diseñá el flujo de trabajo completo: modelo paramétrico donde solo cambia un texto, generación de las variantes, organización de la impresión (cuántas piezas por tanda y estimación de tiempos) y control de calidad final antes de la entrega.

Un soporte en forma de «U» con nervios internos puede fabricarse por impresión 3D, por corte láser y plegado de chapa o por mecanizado. Analizá cada opción (geometría posible, resistencia, tiempo y costo unitario para 1, 10 y 100 unidades) y defendé qué proceso elegirías para cada cantidad.