Ejercicios: Prototipado rápido y fabricación digital

Explica 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. Ordénalas y explica 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.

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

Explica 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? Explica cómo influye en el tiempo de impresión y en el acabado de la superficie de la pieza.

Explica 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).

Explica 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).

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

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

Quieres fabricar un soporte de móvil para tu escritorio y dudas entre imprimirlo en 3D o cortarlo con láser en metacrilato. Compara ambas opciones (geometría posible, tiempo, acabado, material) y justifica cuál elegirías.

Explica qué es la fabricación bajo demanda y analiza qué ventajas ofrece frente a mantener un gran almacén de piezas de repuesto, poniendo como ejemplo los recambios de electrodomésticos antiguos.

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) Calcula cuántas capas tendrá y el tiempo total de impresión, expresado en horas. (b) Calcula el nuevo tiempo si se baja la altura de capa a $0{,}1\ \text{mm}$. (c) Comenta qué se gana y qué se pierde con ese cambio.

En FDM, los voladizos de más de unos $45^\circ$ necesitan soportes. Explica 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.

Compara los filamentos PLA, PETG y ABS: facilidad de impresión, resistencia mecánica, resistencia al calor y a la intemperie, y vapores durante la impresión (ventilación). Elige uno para una pieza que vivirá a la intemperie en un jardín y justifícalo.

Vas a diseñar una funda de móvil para fabricarla en serie. Describe 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. Analiza 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. Analiza si le conviene producirlas con impresión 3D o con moldeo por inyección, teniendo en cuenta coste por pieza, coste del utillaje inicial, tiempos y posibilidad de personalizar, y concluye con una recomendación.

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

La fabricación distribuida propone imprimir las piezas cerca de donde se usan, en vez de producirlas en una fábrica lejana y transportarlas. Evalúa sus ventajas e inconvenientes desde el punto de vista de la sostenibilidad, la economía local y la calidad del producto.

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

Describe tres fallos típicos de la impresión 3D FDM: el warping (la pieza se despega de la base curvándose), la separación de capas (se abren a mitad de impresión) y la subextrusión (sale menos filamento del debido). Indica la causa más probable de cada uno y un remedio práctico.

Hay que entregar 30 llaveros personalizados (cada uno con un nombre distinto) en una semana. Diseña 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.

La fabricación digital permite descargar e imprimir piezas diseñadas por otras personas. Analiza las implicaciones de propiedad intelectual (licencias de los modelos descargados, imprimir repuestos de marcas comerciales, vender impresiones de diseños ajenos) y qué buenas prácticas seguirías al compartir tus propios diseños.

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