Perspectiva Histórica De La Prototipación Rápida

Bases tecnológicas sobre las cuales surge la prototipación rápida

Topografía

Definición

La topografía (de topos, "lugar", y grafos, "descripción") es la ciencia que estudia el conjunto de principios y procedimientos que tienen por objeto la representación gráfica de la superficie de la Tierra, con sus formas y detalles; tanto naturales como artificiales (ver planimetría y altimetría). Esta representación tiene lugar sobre superficies planas, limitándose a pequeñas extensiones de terreno, utilizando la denominación de geodesia para áreas mayores.

Fig. 1.1 Mapa topográfico de Mauna Kea,

Hawái.

Antecedentes

En 1890, Blanther (1892) propone un método en capas para hacer un molde para mapas en relieve topográfico. El método consiste en impresionar a las curvas de nivel topográficas en una serie de placas de cera, cortar las placas de cera en las líneas de contorno, y luego apilar y alisar las secciones de cera. Esto produce superficies tridimensionales tanto positivas y negativas que corresponden al terreno indicado por las líneas de contorno. Después de un refuerzo adecuado de estas superficies, un mapa de papel impreso se presiona a continuación, entre las formas positivas y negativas para crear un mapa en relieve elevado.

Fig. 1.2 Molde para mapas en relieve propuesto por Blanther (1892).

Perera (1940) propuso un método similar para la fabricación de un mapa en relieve mediante la reducción de las líneas de contorno en las hojas de cartón para luego apilar y pegar estas hojas para formar un mapa tridimensional. Otras mejoras de este enfoque fueron realizados por Zang (1964), quien sugirió el uso de placas transparentes con la información topográfica inscrita en cada plato, y Gaskin (1973), que describe un dispositivo de enseñanza geológica tridimensional. En 1972, Matsubara de Mitsubishi Motors (1974) propuso un proceso topográfico que utiliza materiales de foto-endurecimiento. En este proceso, una resina de fotopolímero se recubre sobre partículas refractarias (por ejemplo, polvo de grafito o arena), que luego se extienden en una capa y se calientan para formar una lámina coherente. Luz (por ejemplo, a partir de una lámpara de vapor de mercurio) se proyecta o escanea en esta hoja para endurecer una parte definida de forma selectiva. El área no escaneada, la porción sin endurecer se disuelve con un disolvente. Las capas delgadas formadas de esta manera son posteriormente apiladas juntas para formar un molde de fundición. En 1974, Di Matteo (1976) reconoció que estas mismas técnicas de apilamiento se podrían utilizar para producir superficies que son particularmente difíciles de fabricar por las operaciones de mecanizado estándar. Ejemplos que menciona incluyen hélices, láminas de aire, cámaras de tres dimensiones, y formado de troqueles para prensas punzadoras. En una forma de realización, láminas metálicas perfiladas están formadas por un cortador de fresado, a continuación, se unen en forma de capas por adhesión, pernos, varillas o cónicos. Este proceso tiene similitud evidente para el trabajo del siglo anterior.

Fig. 1.3 Molde en capas, compuesto de hojas apiladas propuesto por DiMatteo (1974).

En 1979, el profesor Nakagawa de la Universidad de Tokio comenzó a utilizar técnicas de laminación para producir herramientas reales tales como herramientas de borrado (Nakagawa et al. 1979), herramientas de prensa de formación (Kunieda y Nakagawa 1984), y las herramientas de moldeo por inyección (Nakagawa, Kunieda y Liu 1985). De particular interés, Nakagawa menciona la posibilidad de canales de refrigeración en complejos moldes de inyección (Nakagawa, Kunieda, y Liu 1985).

Foto-Escultura

Definición

Una foto-escultura es la reproducción en sólido de las personas, animales y cosas, que se obtiene a través de un proceso de digitalización en 3D y la impresión 3D. Los resultados son pequeñas estatuas que representan a la entidad retratada.

Antecedentes

La foto-escultura surgió en el siglo 19 en los intentos de crear réplicas tridimensionales exactas de objetos, incluyendo formas humanas Bogart (1979). Una realización de cierto éxito de esta tecnología fue diseñada por el francés François Willeme en 1860. En su método, un sujeto u objeto fue colocado en una habitación circular y a la vez fotografiado por 24 cámaras colocadas por igual alrededor de la circunferencia de la habitación. La silueta de cada fotografía fue utilizada por un artesano en el taller de Willeme para labrarse a 1/24 de una parte cilíndrica de la figura.

Fig. 1.4 Almirante Farragut sentado, 1860s,

para fotoescultura (Bogart 1979).

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Fig. 1.5 Estudio de fotoescultura de François

Willème en Paris, cerca de1870 (Bogart 1979).

En un intento de aliviar la labor del tallado a mano del proceso de escultura de Willeme, Baese (1904) describe una técnica que utiliza luz graduada para exponer gelatina fotosensible, que se expande en proporción a la exposición cuando se tratan con agua. Anillos anulares de la gelatina tratada, se fijan sobre un soporte para hacer una réplica de un objeto. Técnicas similares y mejoras fueron desarrolladas por Monteah (1924).

Fig. 1.6 Proceso fotográfico para el desarrollo de objetos de plastico por Baese (1904).

En algunos de los primeros trabajos en Japón, Morioka (1935, 1944) desarrolló un proceso híbrido que combina aspectos de la escultura y la topografía. Este método utiliza la luz estructurada (bandas blancas y negras de luz) para crear fotográficamente las líneas de contorno de un objeto. Las líneas se desarrollan en las hojas, se cortan y apilan o son proyectadas en materia prima para ser talladas.

Fig. 1.7 Procesos para fabricar un relieve por Morioka (Morioka 1935, 1944).

En 1951, Munz (1956) propone un sistema que tiene características de las técnicas actuales de estereolitografía. Se da a conocer un sistema para exponer selectivamente una emulsión foto transparente en forma de capas, donde cada capa viene de una sección transversal de un objeto escaneado. Estas capas se crean mediante la reducción de un pistón en un cilindro y la adición de cantidades apropiadas de fotoemulsión y agente de fijación. Después de exponerse y de fijarse, el cilindro transparente sólido resultante contiene una imagen del objeto. Posteriormente este objeto puede ser tallado manualmente o fotoquímicamente grabado para crear un objeto tridimensional.

Fig. 1.8 Procesos por Munz (1956) para reproducir la imagen tridimensional de un objeto

Principio del Solid Freeform Fabrication

En 1968, Swainson (1977) propone un proceso para fabricar un modelo de plástico directamente por polimerización selectiva en tres dimensiones de un polímero fotosensible en la intersección de dos rayos láser. Trabajo paralelo se llevó a cabo en laboratorios Battelle (Schwerzel 1984). El objeto se forma por cualquiera reticulación fotoquímicamente o degradando un polímero por la exposición simultánea a la intersección de haces de láser. Aunque el hardware de laboratorio fue construido para este proceso, aparentemente no se logra un proceso comercialmente viable.

Fig. 1.9 Proceso de fotoescultura usando la intersección de dos láser, por Swainson (1977).

Un proceso en polvo que tiene más en común con las técnicas de revestimiento superficial láser que fotoescultura fue propuesta en 1971 por Ciraud (1972). Esta exposición describe un proceso para la fabricación de objetos a partir de una variedad de materiales que son al menos parcialmente fundibles. Con el fin de producir un objeto, las partículas pequeñas se aplican a una matriz por gravedad, magnetostática, o electrostática, o posicionadas por una boquilla situada cerca de la matriz. Las partículas se calientan localmente mediante un láser, haz de electrones, o haz de plasma. Como consecuencia del calentamiento, las partículas se adhieren entre sí para formar una capa continua. Más de un haz de láser se puede utilizar con el fin de aumentar la fuerza de la unión entre las partículas.

Fig. 1.10 Proceso láser en polvo propuesto por Ciraud (1972).

Hideo Kodama del Instituto de Investigación Industrial Municipal de Nagoya fue el primero en publicar una reseña de un sistema de prototipado rápido fotopolímerico funcional (Kodama 1981). En su método, un modelo sólido se fabrica mediante la creación de una parte en capas, donde las áreas expuestas corresponden a una sección transversal del modelo. Se estudiaron tres métodos diferentes para la consecución de este

a) usando una máscara para controlar la exposición de la fuente de UV y la inmersión del modelo a la baja en una cuba de fotopolímero líquido con el fin de crear nuevas capas

b) usando una máscara como en (1), pero la colocación de la máscara y la exposición en la parte inferior de la cuba y el dibujo de la modelo hacia arriba para crear una nueva capa

c) sumergir el modelo como en (1), pero utilizando un trazador XY y una fibra óptica para exponer la nueva capa

Fig. 1.11 Esquemas de los tres sistemas fotopolímericos estudiados por Kodama (1981).

Un segundo, paralelo pero independiente, el esfuerzo que se llevó a cabo por Herbert en 3M Corporation (1982). Herbert describe un sistema que dirige un haz láser UV a una capa de fotopolímero por medio de un sistema de espejo en un plotter xy.

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