Documento: Generación de un prototipo Contenido
1. Qué es un prototipo 2. Categorías de prototipos
3. Técnicas y procesos más utilizados para prototipado 4. Termo-formado
5. Fibra de vidrio 6. Metalurgia
7. Ejemplos de fabricación de prototipos 8. Podadora termo-formada
9. Vehículo unipersonal en fibra de vidrio y perfilaría de acero
A. Qué es un prototipo
Un prototipo es una representación limitada del diseño de un producto que permite a las partes responsables de su creación experimentar, probarlo en situaciones reales y explorar su uso.
En muchos campos, existe una gran incertidumbre en cuanto a si un nuevo diseño en realidad va a ser o hacer lo que se desea. Los nuevos diseños a menudo tienen problemas inesperados. Un prototipo se utiliza a menudo como parte del proceso de diseño de producto para permitir a los ingenieros y diseñadores la posibilidad de explorar alternativas de diseño, probar las teorías y confirmar los resultados antes de iniciar la producción de un nuevo producto.
B. Categorías de prototipos
No un hay acuerdo general sobre lo que constituye un "prototipo" y la palabra a menudo se asocia indistintamente con la palabra "modelo", lo que puede causar confusión. En general, los "prototipos" se dividen en cuatro categorías básicas:
Prototipo (Modelo) de Prueba-de-principio. Esta clase de prototipo se usa para probar algún aspecto de la concepción sin tratar de simular exactamente el aspecto visual, la elección de los materiales o el proceso de fabricación.
Tales prototipos pueden ser utilizados para "probar" un posible enfoque de diseño, tal como la amplitud de movimiento, la mecánica, sensores, arquitectura, etc. Este tipo de modelos se utilizan a menudo para identificar cuáles opciones de diseño no funcionarán, o cuando es necesario realizar un mayor desarrollo y ejecutar pruebas.
Prototipo (Modelo) de Estudio de Forma. Esta clase de prototipo permitirá a los diseñadores explorar el tamaño básico, aspecto y sensación de un producto sin la simulación de la función exacta o apariencia visual del producto. Éstos pueden ayudar a evaluar los factores ergonómicos y proporcionar información sobre aspectos visuales de la forma final del producto. Los prototipos de estudio de forma a menudo son modelos tallados a mano o mecanizados de materiales baratos o fácilmente esculpibles (por ejemplo, espuma de uretano), sin que representen el color, el acabado, o la textura. Debido a los materiales utilizados, estos modelos están destinados a la toma de decisiones internas y por lo general no son suficientemente duraderos o adecuados para su uso por usuarios representativos o consumidores.
Prototipo (Modelo) Visual. Capturan la propuesta de diseño estético y simulan la apariencia, color y texturas de la superficie destinada al producto propuesto, pero en realidad no encarnan la(s) función(es) del producto final. These models will be suitable for use in market research, executive reviews and approval, packaging mock-ups, and photo shoots for sales literature. Estos modelos son aptos para su utilización en estudios de mercado, informes ejecutivos, aprobación, pruebas de empaque y estudios fotográficos para publicidad.
ingenieros y permite controlar los defectos de diseño y hacer mejoras de última hora antes de que se apruebe la producción.
Dentro de las técnicas más comunes, conocidas y usadas para la elaboración de prototipos funcionales, encontramos las siguientes dos, que son de las más versátiles y con las que se pueden lograr resultados más cercanos a la realidad.
C. Técnicas y procesos más utilizados para prototipado 1. Termo-formado
El termo-formado es una técnica de prototipaje, que sirve para realizar carcasas, cubiertas o empaques con características altamente similares las que tendrían productos con piezas plásticas obtenidas mediante a procesos de manufactura para producción masiva, tales como inyección, extrusión, inyectosoplado, etc.
La técnica de termo-formado es generalmente utilizada con materiales plásticos que vengan en láminas previamente extruidas de materiales tales como poliestireo, polipropileno y acrílico.
Esta técnica no es solo utilizada para realizar prototipos, sino que también se utiliza para fabricar muchos de los productos del mercado o empaques de los mismos, teniendo en cuenta que estos productos o empaques no requieran de altas resistencias mecánicas.
Esta técnica consiste en realizar un molde con la forma de la pieza que se va realizar, generalmente cuando la pieza es una pieza cerrada, debe hacerse el molde de esta, y partirse en dos mitades, esto se hace de esta manera para poder retirar el molde de la lamina termo-formada una vez esta adopte la forma del molde. El molde generalmente se construye en madera, aunque puede ser construido en otro tipo de material. Es importante anotar que se debe hacer mucho énfasis en el acabado del molde, ya que la pieza final en poliestireno va a copiar exactamente el acabado del molde, es por eso que este debe tener una superficie lo más homogénea posible.
Imagen 1 Maquina termo-formadora Imagen 2 Vista del proceso de termo-formado
Imagen 5 Proceso de termo-formado Imagen 6 Empaque comercial termo formado
2. Fibra de vidrio y resinas
La técnica de fibra de vidrio, es un poco más especializada que el termoformado, y a su vez es algo más compleja. La fibra de vidrio puede ser trabajada tanto manualmente como de manera más industrializada para producción en serie. Al igual que el termo-formado, la fibra puede ser utilizada tanto como para prototipos que simulen piezas plásticas producidas bajo procesos de producción masiva, o también para productos del mercado producidos en grandes cantidades.
La mecánica de esta técnica, consiste en unir capas de fibra de vidrio una sobre otra para darle un espesor dado a la forma deseada, aglutinando y pegando cada una de estas capas con resina, el cual es un material termo estable que reacciona químicamente para endurecerse y ayuda a que todo el tejido de fibra de vidrio se una de manera uniforme formando espesores con superficies homogéneas.
La mayoría de las veces, para trabajar la fibra de vidrio, se requiere de la ayuda de moldes que faciliten la conformación de la figura deseada en cada diseño. Estos moldes pueden ser construidos en diferentes materiales, tanto en la misma fibra de vidrio, como en madera, poliestireno termoformado, y otros. Para garantizar una superficie con un acabado liso y homogéneo, que permita aplicar capas de pintura y simular materiales reales del prototipo, existen elementos como el Gel-coat, que sirven para aplicar al molde sobre el cual se realizará el vaciado de resina y este se adhiera a la fibra y le dé el acabado deseado.
Imagen 9 silla en fibra de vidrio Imagen 10 Carcasa en fibra de vidrio
3. Metalurgia
La construcción con metales como materia prima, es una herramienta muy fuerte e importante para la generación de prototipos funcionales. Generalmente los materiales mecánicos más utilizados para esta clase de prototipos son, Aluminio, Acero Inoxidable y Aceros convencionales como 10 20 y otros tipos.
El material metálico generalmente trabajado en los prototipos tiene una amplia gama de presentaciones, independiente del tipo de material que sea, algunas de estas presentaciones son:
Tubería redonda Tubería rectangular Tubería ovalada Tubería cuadrada Perfiles en L Perfiles en U
Perfiles con formas irregulares estándar Laminas
Platinas
Todas estas presentaciones permiten diferentes procesamientos posteriores, para poder llegar a las formas deseadas, dentro de estos procesamientos los más utilizados y conocidos en la industria, son:
Corte: Este corte puede ser por medio de diferentes técnicas o procesos dependiendo de la presentación del material, y es el proceso por medio del cual se corta el material para separar el material necesario del innecesario.
Doblado: ya sea de perfileria, tubería o de lamina, es el proceso por medio del cual se permite generar un doblez al material de acuerdo a las necesidades.
Soldado: Es el proceso por medio del cual se unen diferentes piezas de un mismo material metálico para formar una pieza mas compleja que este compuesta por varias partes.
Perforado: Es el proceso por medio del cual se generan perforaciones a las piezas metálicas para diferentes fines, ya sea ensambles, o ventilaciones, o agujeros para introducir tornillos, etc.
Fundición: Es el proceso por medio del cual, se funde el material metálico, y se introduce en un molde el cual le da una forma predeterminada.
CNC: Es el proceso de producción por medio del cual, los modelos digitales 3D se pasan a un modelo real en un material especifico. Es conocido como un centro de maquinado, el cual por medio de programación electrónica y códigos, lee las coordenadas del modelo digital, y adapta las herramientas de corte necesarias para convertir un bloque de material, en la pieza modelada digitalmente.
Embutido: Es el proceso por medio del cual se le da a una lamina metálica la forma de un molde o dado específico.
Repujado: Es el proceso por medio del cual se pueden lograr formas simétricas con respecto a un eje central, tales como tazones, cilindros, jarrones, vasos, etc. Este proceso se hace por medio de un molde que gira con respecto al eje central, sobre este molde se aplica una presión a una lámina metálica para que esta tome la forma del molde.
Estos anteriores procesos de producción para metal, generalmente no obligan a que el producto se vaya a producir en masa para que sea viable su manufactura, es decir, Producir una sola pieza en metal mediante uno de los procesos anteriores, no siempre implica un costo muy elevado. Esto debido a que para la mayoría de estos procesos no se requiere elementos extras como moldes de alto costo que incrementen el costo de fabricación por pieza y que obliguen a producir cada pieza en grandes volúmenes para poder librar este costo.
Imagen 13 Material metálico Imagen 14 Material metálico D. Ejemplos de fabricación de prototipos
1. Podadora termo-formada
Proceso de construcción de un prototipo funcional de una podadora de césped domestica y portátil.
Descripción: este prototipo fue elaborado por medio de la técnica de termoformado de lámina de poliestireno, en la cual cómo se explica anteriormente, es una técnica en la cual se tiene que tener un molde de la pieza en madera, ya sea balso u otro tipo de esta, con una superficie muy bien acabada para garantizar un buen acabado en el material final que es el poliestireno.
A partir de este molde se crea una carcasa hueca en lámina de poliestireno, con un calibre u espesor según los requerimientos del diseño. Existen laminas de diferentes colores, para este diseño se utilizó una lamina de color blanco y posteriormente fue pintada de naranja. Se realizó un molde de cómo quedaría la pieza, y posteriormente se cortó en dos mitades simétricas para garantizar ángulos de salida del molde y de la lamina una vez se hiciera el termo-formado.
Se realizó también un protector en una pieza termo-formada de poliestireno de color negro. Los soportes internos para el motor fueron realizados también con la misma lámina blanca de poliestireno con la que se realizó la carcasa, utilizando bisturí como herramienta de corte para lograr las formas deseadas que pudieran sostener el motor. El motor utilizado fue un motor de segunda mano de una licuadora, que realiza el mismo movimiento que el de una podadora pero con menor fuerza, pero para fines del prototipo este motor funcionaba óptimamente.
El mango lateral realizado fue construido en balso y posteriormente se le dio un acabado con masilla gris para automóvil lijada antes de aplicar la pintura negra, esta masilla es útil para darle una apariencia plástica a las piezas de madera o de cualquier otro material y cubrir imperfecciones en piezas donde se necesiten superficies muy homogéneas.
Todas estas piezas fueron finalmente ensambladas con tornillos, para los cuales se había tenido en cuenta realizar unas cavidades en el molde en madera para que estas se copiaran en las piezas termo-formadas y poder ubicar los tornillos como elementos de sujeción para el ensamble.
2. Vehículo unipersonal en fibra de vidrio y perfilería de acero
Imagen 16 Prototipo en fibra de vidrio
En este prototipo completamente funcional se aplicaron procesos y técnicas de prototipaje un poco más complejas, ya que era un producto que por sus características demandaba un grado de calidad muy alto para poder funcionar óptimamente. Para la realización de este entonces, se utilizó una mezcla de partes comerciales de automóviles del mercado nacional y piezas diseñadas y construidas por los mismos diseñadores utilizando técnicas de prototipaje.
La estructura se realizó toda en tubería doblada cold roll de ¾ de pulgada de diámetro y calibre 18. El motor utilizado fue el motor de una motocicleta tipo scooter del mercado al igual que las llantas y rines. El resto de la carrocería se construyó en fibra de vidrio, para todas las carcasas y elementos interiores del vehículo, se realizaron moldes en espuma de poliuretano y posteriormente se cubrieron en fibra de vidrio, retirando la espuma una vez se secara toda la aplicación de fibra y resina.
La pintura utilizada para las piezas del automóvil, fue pintura para carro de color negro perlado. Para realizar la cojinería se realizaron unas plantillas en lámina, dándole la forma básica que se pretendía tener y posteriormente se recubrió en espuma para darle una forma a un volumen en el cual fuera posible apoyar el cuerpo y sentirse cómodo.
