MANUFACTURA ADITIVA APLICADA EN PROTOTIPOS DE DISPOSITIVOS MÉDICOS COMPLEJOS Y COMPONENTES AEROESPACIALES CON SISTEMA DE ENFRIAMENTO INTERNO. ADDITIVE MANUFACTURING APPLIED ON PROTOTYPES OF COMPLEX MEDICAL DEVICES AND AEROSPACE COMPONENTS WITH INTERNAL FEATURES.
Ana Lilia Cortes-Grijalva1 ; José Obedt Figueroa-Cabazos2; Héctor Rafael SillerCarrillo2. Estudiante de Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico de Los Mochis, Blvd. Juan de Dios Batiz y 20 de Noviembre, Los Mochis, Sinaloa.1 Investigadores del Centro de Innovación en Diseño y Tecnología, Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey, Avenida Eugenio Garza Sada No. 2501 Sur Col. Tecnológico, Monterrey, NL. 2
RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo comparar la relación que existe entre la calidad, la productividad y el costo entre los procesos de manufactura convencionales como los procesos de manufactura sustractiva versus los procesos de manufactura aditiva para la fabricación de prototipos, además de presentar dos casos de estudio que muestran el prototipado rápido y desarrollo de la turbina de un álabe con sistema de enfriamiento interno y el prototipado de un espaciador lumbar para cirugía de columna, utilizando ingeniería inversa para la obtención de las medidas. Asimismo se presentan las ventajas y desventajas que ambos procesos traen a la industria biomédica y aeroespacial.
manufacturing processes like subtractive manufacturing versus additive manufacturing processes to create prototypes, besides to present two cases of study that shows the rapid prototyping and the development of the turbine blade with internal features and the prototype of a human bone tissue implant for the spinal fusion surgeries, using reverse engineering to get the measures. This paper also presents the advantages and disadvantages that both processes bring to the biomedical and aerospace industries.
Palabras Claves: Manufactura aditiva, manufactura sustractiva, ingeniería inversa, prototipado rápido.
Hoy en día, la industria se enfrenta ante retos donde el diseño asistido por computadora (CAD, por sus siglas en inglés Computer Aided Design) y la manufactura asistida por computadora (CAM por sus siglas en inglés Manufacturing Aided Design) tienen un valor significativo para mejorar los
SUMMARY The scope of this paper is to compare the relationship that exist between quality, productivity and cost among conventional
Keywords: Additive manufacturing, subtractive manufacturing, reverse engineering, rapid prototyping. INTRODUCCIÓN
métodos tradicionales de diseño y de manufactura. La industria médica y aeroespacial son industrias que necesitan enfrentar estos nuevos desafíos del mercado debido a los cambios en los requerimientos de la industria manufacturera ocasionados por los cortos ciclos de vida de los productos, las complejas formas de los diseños, la elevación en los niveles de calidad, la reducción de los costos y la disminución en el tiempo de desarrollo de productos para los cuales la industria ha estado buscando nuevas soluciones. Una posible solución para estos problemas es la manufactura aditiva. (Chhabra & Singh, 2011) Sin embargo, la transición de prototipado rápido a manufactura rápida ha cambiado la forma en que los productos son diseñados, permitiendo a los diseñadores e ingenieros explotar la complejidad y funcionalidad de las tecnologías aditivas. El uso de la manufactura aditiva para la creación de modelos con aplicaciones médicas, es un tema bastante interesante y a la vez conmovedor, ya que cuenta con muchos ejemplos en los cuales los procedimientos quirúrgicos son difíciles y complejos e implican grandes equipos de especialistas que utilizan modelos en numerosas etapas de la planificación. En el caso de las aplicaciones aeroespaciales, sirven para validar características geométricas en túneles de viento entre muchas otras aplicaciones. (Gibson, et al., 2006). MARCO TEÓRICO En los últimos años, una variedad de nuevas tecnologías de prototipado rápido han sido desarrolladas. Entre estas tecnologías se incluyen: el sinterizado selectivo por láser (SLS por sus siglas en
inglés Stereo lithography Selective Laser Sintering), la manufactura por deposición fundida (FDM por sus siglas en inglés Fused Deposition Manufacturing), la manufactura de objetos laminados (LOM por sus siglas en inglés Laminated Object Manufacturing), fabricación balística de partículas (BPM por sus siglas en inglés Ballistic Particle Manufacturing) y la impresión en tercera dimensión (Three Dimensional Printing o 3D Printing) (Pham & Gault, 1998). La Figura 1 muestra la clasificación de los métodos de prototipado rápido que hay en la actualidad. Prototipado Rápido Material aditivo
Partículas discretas
Líquido Polímero líquido
Fluido
Material removible
Material fundido
Punto por punto
Punto por punto
Capa por capa
Capa por capa
Sólido
Fusión por láser
Hojas con adhesivo
Fusión por pegamento
Unión con luz
Surpeficie holográfica
Figura 1 Clasificación de los métodos de prototipado rápido.(Pham & Gault, 1998)
No obstante, muchos procesos de prototipado rápido no pueden competir con la manufactura convencional en términos de calidad, precio y productividad. A pesar de los importantes esfuerzos de búsqueda de nuevas aplicaciones para las tecnologías aditivas, muchos de los usuarios potenciales no están conscientes de sus beneficios (incluyen todas las industrias dedicadas a la producción de maquinaria y electrodomésticos de bajo volumen, dispositivos médicos, componentes aeroespaciales, entre otros). A continuación se muestran algunos procesos de manufactura aditiva para
prototipado 2011).
rápido.(Munguia,
et
al.,
Sinterizado selectivo por láser. En el proceso de sinterizado selectivo por láser, se aplica una fina capa de polvo, (de unas décimas de milímetro) por un mecanismo de rodillos de contra-rotación en el área de trabajo. El material en polvo se precalienta a una temperatura ligeramente por debajo de su punto de fusión. El haz del láser traza la sección transversal sobre la superficie del polvo para calentarlo hasta alcanzar la temperatura de sinterizado para que así el polvo se una en los puntos seleccionados (causando que las partículas se fusionen y solidifiquen).(Pham & Gault, 1998). La Figura 2 muestra el esquema conceptual del proceso de sinterizado selectivo por láser.
introducido en una boquilla. La boquilla se encuentra por encima de la temperatura de fusión del material y puede desplazarse en tres ejes controlada electrónicamente. La boquilla normalmente la mueven motores, pasos o servomotores La pieza es construida con finos hilos del material que solidifican inmediatamente después de salir de la boquilla. Este tipo de fabricación es utilizado para prototipos y producción a pequeña escala (Yan & Gu, 1996). La Figura 3 muestra el esquema conceptual del proceso de por deposición fundida.
Figura 3. Proceso por deposición fundida.(Yan & Gu, 1996)
Impresión 3D
Figura 2. Principal trabajo del SLS(Yan & Gu, 1996).
Manufactura por deposición fundida. En el proceso de manufactura por deposición fundida, el modelado utiliza una técnica aditiva, depositando el material en capas, para conformar la pieza. Un filamento plástico que inicialmente se almacena en rollos, es
En el proceso de impresión en 3D, un modelo se corta en capas de sección transversal 2D a través de la computadora. Una capa de polvo se extiende sobre la parte superior del pistón, la cama de polvo, en un cilindro, y a continuación, una cabeza de impresión de inyección de tinta proyecta pequeñas gotas de material aglutinante sobre el polvo en el lugar donde se requiere la solidificación de acuerdo con la información del CAD. Después de que se
complete una capa, el pistón deja caer una distancia predefinida una nueva capa de polvo se extiende y se pega de forma selectiva. Cuando se ha completado la parte entera, es necesario un tratamiento térmico para mejorar la unión del polvo pegado, y a continuación, se elimina el polvo de los bordes(Yan & Gu, 1996). La Figura 4 muestra el esquema conceptual del proceso de impresión 3D.
siglas en inglés Product Life Cycle), donde se tomaron como referencia dos casos de estudio. Además se aplicaron métodos para comparar las opciones que se ajusten a los requisitos de diseño iniciales. Incorporando parámetros de cuatro grupos como lo son los requisitos geométricos, estéticos, mecánicos y funcionales que se pueden activar de forma individual. La Figura 5 muestra la metodología propuesta del ciclo de vida del producto.
Figura 4 Impresión 3D.(Yan & Gu, 1996)
METODOLOGÍA Con el fin de satisfacer las principales necesidades de los clientes de prototipado rápido y aumentar la información para las pequeñas empresas, es importante el desarrollo de nuevas tecnologías para la manufactura aditiva(Figueroa, 2013). Debido a esto, el objetivo de este trabajo es comparar las ventajas y desventajas que existen entre la productividad, calidad y precio entre los métodos de fabricación convencionales que se utilizan actualmente y los procesos de manufactura aditiva. La metodología presentada a continuación, describe las etapas que se llevaron a acabo para la realización de esta investigación comparativa mediante el ciclo de vida del producto (PLC por sus
Figura 5. Metodología propuesta del Ciclo de Vida del Producto(Figueroa, 2013).
Tomando en consideración la metodología anterior, además se trabaja con la comparación de dos ingenierías inversas donde en una se aplicó el método de medición convencional y modelado (espaciador lumbar) y en el otro el escaneo por láser (álabe de turbina). También se presenta una comparación entre los procesos convencionales de manufactura y la manufactura aditiva (caja lumbar).
La Figura 8 muestra la pieza original que es un espaciador lumbar TLIF 13 Cage Peek Optima® de la marca Synimed que fue seleccionada porque es la estándar en su clase. El software utilizado para la creación del modelo en 3D del espaciador lumbar fue el Autodesk Inventor 2011 debido a que el autor fue capacitado para este software. La figura 9 muestra el modelo 3D obtenido a partir de la ingeniería inversa.(Figueroa, 2013)
Figura 6. Metodología que presentan los métodos de ingeniería inversa y fabricación. Ver (Figueroa, 2013)
En base a la metodología mostrada en la Figura 6 se presentan los métodos de ingeniería inversa y fabricación para el espaciador lumbar y el álabe de turbina.
Figura8. Pieza original de un espaciador lumbar TLIF 13 Cage Peek Optima® de la marca Synimed
Ingeniería inversa mediante medición de coordenadas. Se presenta el trabajo previo realizado por el Centro de Innovación en Diseño y Tecnología del Tecnológico de Monterrey donde utilizaron ingeniería inversa a través de una máquina de medición por coordenadas de la marca Zeiss modelo MC850 que se muestra en la Figura .
Figura 7 MC850 de la marca Zeiss.
Figura 9. Modelo 3D obtenido a partir de la ingeniería inversa.(Figueroa, 2013)
Ingeniería inversa mediante escaneo. Se presenta el trabajo previo realizado por el Centro de Innovación en Diseño y Tecnología donde un equipo de tomografía computarizada (CT) fue usado para el estudio de las secciones internas del álabe de turbina con sistema de enfriamiento interno. Los resultados muestran varios errores en los escaneos de la tomografía que hacen necesario el uso de otras técnicas de medición. Debido a estos resultados con los escaneos del tomógrafo, la metodología presentada no puede ser usada para operaciones de
Ingeniería Inversa de piezas con altas tolerancias. De igual manera, se proponen líneas de investigación para poder abarcar este tipo de piezas.(Gameros, 2013)
Figura 11. Álabe de turbina (pieza original)(Gameros, 2013)
Figura 12. Modelo 3D obtenido a partir de la ingeniería inversa por escaneo.(Gameros, 2013)
Figura 10. Metodología del proceso de ingeniería inversa mediante escaneo.(Gameros, 2013)
Tal y como lo muestra la Figura 10, la metodología del proceso de escaneo comienza con la obtención de un sistema de referencia (datums) a través del desarrollo de un sujetador especial que se utiliza como base para los procesos de medición y digitalización. Las medidas son realizadas con el escáner óptico y un equipo de tomografía computarizada. Después de obtener las medidas, se realizó una reconstrucción del modelo en 3D con el uso de NURBS. La Figura 11 muestra el álabe de turbina que se sometió a escaneo; mientras que la Figura 12 muestra el modelo obtenido a partir de la ingeniería inversa obtenida mediante escaneo.
Creación de prototipo por manufactura removible Una vez obtenido el modelo 3D la pieza se somete a post-procesamiento, lo que nos permite crear la trayectoria de mecanizado para una máquina de CNC. La Figura 13 muestra las rutas de maquinado, para el que se utilizó WorkNC. La Figura 14 muestra el proceso de maquinado del espaciado lumbar.
Figura 13. Rutas de maquinado.(Figueroa, 2013)
Figura 14. Proceso del maquinado del espaciador lumbar.(Figueroa, 2013)
Figura 16. Soporte de las partes.(Figueroa, 2013)(Figueroa, 2013)
Creación de prototipo por manufactura aditiva. El modelo 3D nos permite crear las capas y rutas de impresión. En esta parte del procesamiento CAD, la pieza se "corta en rebanadas” que posteriormente crean rutas de adición de material. Cada capa es una sección transversal del límite interior y exterior. Para las capas dañadas se utilizan las herramientas de reparación del software. La Figura 15 muestra el postprocesamiento del archivo STL para su impresión.(Figueroa, 2013)
Figura 17. Ruta del material de adición (color verde es material, azul es soporte).(Figueroa, 2013)
Una vez obtenido el archivo formato .cmb (formato de salida del post-procesamiento de la pieza para impresión) se configura la máquina para la impresión de las piezas. El tiempo estimado para la fabricación del espaciador lumbar fue de 00:41 hrs y para el álabe de turbina fue de 01:45 h. Como resultado se obtuvo un prototipo rápido del espaciador lumbar y el prototipo rápido obtenido del álabe de turbina como los muestra la Figura 18.
Figura 15. Pieza en capas (sin escala).(Figueroa, 2013)
La Figura 16 muestra la ruta del material de soporte y la Figura 17 muestra la ruta del material de adición. Una vez completado este paso se obtiene un archivo .cmb, el cual permite una comunicación con la máquina.
Figura 18. Prototipo obtenido del espaciador lumbar y el álabe de turbina.
CONCLUSIONES La tabla 1 nos muestra una comparación entre el tiempo de procesamiento entre el método de manufactura removible y el proceso de manufactura aditiva. Tomando en cuenta los cambios de herramental, el movimiento de las piezas, la variedad de máquinas y herramientas que se necesitan para el desarrollo de los prototipos en comparación con la manufactura aditiva, hay una gran ventaja la fabricación de prototipos con este tipo de tecnología. El proceso de manufactura removible tomó un tiempo estimado de 138 min (sin tomar en cuenta el tiempo de configuración de herramientas) para su fabricación, lo que es superior a los 41 minutos que el prototipado rápido tomó. El costo por hora de maquinado es de aproximadamente 30 dólares al igual que la hora de impresión, pero lo que hace la diferencia es el costo adicional de los
herramentales que se utilizan en el proceso de maquinado, que pueden variar de acuerdo a la pieza que se desea fabricar y los costos pueden ser bastante elevados. Este trabajo concluye que la manufactura aditiva es la opción más conveniente para la creación de prototipos, ya que permite a los usuarios la creación de diseños muy complejos y con formas libres, lo cual en los procesos convencionales de manufactura resulta más difícil de fabricar. Es necesario explotar todos los beneficios que la manufactura aditiva le concede al mundo de la industria hoy en día y sobretodo aprovechar las ventajas que genera su uso, como en el caso de la industria médica, en la que gracias a los avances de este tipo de tecnología, es posible la creación de implantes y prótesis humanas que pueden ser personalizados, lo que representa un gran avance en la medicina.
Tabla 1. Diagrama de flujo del proceso de mecanizado.(Figueroa, 2013)
Para la realización de este trabajo se utilizó el software Insight, el material seleccionado fue el ABS-M30 debido a su gran resistencia a la tensión, impacto y resistencia a la flexión, y su estabilidad en el medio ambiente. La resolución
utilizada fue de 0.254 mm en el eje z y 0.407 mm en el plano XY. La máquina utilizada fue la Fortus 400mc que fue seleccionada porque eleva el límite máximo de las ventajas competitivas que se derivan de la manufactura aditiva.
BIBLIOGRAFÍA Chhabra, M., & Singh, R. (2011). Rapid casting solutions: a review. Rapid Prototyping Journal , 17 (5), 328-350. Figueroa, J. O., 2013. RAPID PROTOTYPING FOR COMPLEX BIOMEDICAL AND AEROSPACE COMPONENTS WITH INTERNAL FEATURES. MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM, p. 6. Gameros, A., 2013. REVERSE ENGINEERING OF TURBINE BLADES WITH INTERNAL FEATURES. MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM, p. 1.
Munguia, J., Bernard, A. & Erdal, M., 2011. Proposal and evaluation of a KBE-RM selection system. Rapid Prototyping Journal, 17(4), pp. 236-246. Pham, D. & Gault, R., 1998. A comparison of rapid prototyping technologies. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Volume 38, pp. 1257-1287. Yan, X. & Gu, P., 1996. A review of rapid prototyping technologies and systems. Computer-Aided Design, 28(4), pp. 307-318.