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MANUAL Sistemas de Rapid Prototyping Breve descripción de las técnicas más representativas del prototipado rápido.

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Autor: Francisco Javier González Sáez

Año: 2013

MANUAL - Sistemas de Rapid Prototyping

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INDICE

1. CONCEPTO DE PROTOTIPO

2. DESCRIPCIÓN DE RAPID PROTOTYPING

3. TECNOLOGÍAS DE RAPID PROTOTYPING MÁS DIFUNDIDAS

4. DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS

4.1. Estereografía (SLA) 4.2. Selective Laser Sintering (SLS) 4.3. Lamineated Object Manufacturing (LOM) 4.4. Fused Deposition Modeling (FDM) 4.5. Impresoras 3D (3D Printing) 4.6. Moldes de Silicona. Coladas de Resina. 4.7. Fabricación por CNC 4.8. Prototipado Virtual

5. FASES DEL PROCESO PARA CREAR UN PROTOTIPO

6. APLICACIONES DEL PROTOTIPADO RÁPIDO.

7. CONCLUSIONES


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1. CONCEPTO DE PROTOTIPO Una de las técnicas de validación que en estos momentos está teniendo más repercusión, por la reducción de tiempo que puede provocar en el desarrollo de nuevos productos, es el denominado Rapid Prototyping (Prototipo Rápido). Concepto de Prototipo el cual permite obtener modelos físicos tridimensionales de manera rápida y exacta de las geometrías diseñadas en modeladores 3D. Estos prototipos pueden ser únicamente estéticos para validación de formas y proporciones o semi-funcionales, permitiendo en estos últimos casos asegurar la validez de los diseños, comprobación de interferencias, realizar pruebas funcionales de laboratorio, gestionar con seguridad aspectos relacionados con el empaquetado, realizar fotografías promocionales o de catálogo, presentar productos casi finales o en ferias, etc.

2. DESCRIPCIÓN DE RAPID PROTOTYPING

Bajo el nombre de Rapid Prototyping (Prototipado Rápido o RP) se agrupan a una serie de tecnologías distintas de construcción de sólidos. Todas ellas parten del corte en secciones horizontales paralelas de piezas representadas en CAD. Estas secciones caracterizan a todas las tecnologías de prototipado rápido, que construyen las formas sólidas a partir de la superposición de capas horizontales. El Prototipado Rápido (RP) o Fabricación Rápida (MR) se refiere al conjunto de tecnologías que construyen modelos físicos que se realizan a partir de un diseño realizado en CAD. Estos sistemas producen modelos y prototipos de forma rápida, partiendo de modelos CAD en 3D informatizados y/o ficheros 3D obtenidos a partir de sistemas de digitalización y tratamiento de superficies (ingeniería inversa). Tres líneas de desarrollo importantes marcan las tendencias actuales: Impresión 3D para modelados conceptuales.

Como patrón para estudios de funcionalidad o previos en el desarrollo de producto, junto a

reproducciones definitivas en resina o metal. Fabricación rápida de piezas o patrones acabados.

En cuanto a las aplicaciones industriales referirnos al sector de automoción (19,1%) y la industria aeroespacial (7,7%), son las principales impulsoras de estas tecnologías. Como campos de futuro reseñar: Biomedicina, en el campo de las prótesis, la cirugía traumatológica y la ortodoncia (13,6%)

Dispositivos para microelectrónica y fibra óptica, que comparten en poco tamaño común muchos

elementos de gran complejidad geométrica. Objetos a micro y nanoescala.


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3. TECNOLOGÍAS DE RAPID PROTOTYPING MÁS DIFUNDIDAS

Las tecnologías más difundidas en la actualidad son:

• SLA. Estereolitografía. Emplea un láser UV que se proyecta sobre un baño de resina fotosensible líquida para polimerizarla. También la podemos encontrar con la denominación de STL.

• SLS. Sinterización selectiva láser. Se deposita una capa de polvo, de unas décimas de mm., en una cuba que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polvo. Seguidamente un láser CO2 sinteriza el polvo en los puntos seleccionados.

• SGC. Fotopolimerización por luz UV. Al igual que en la estereolitografía, esta tecnología se basa en la

solidificación de un fotopolímero o resina fotosensible. En la fotopolimerización, sin embargo, se irradia con una lámpara de UV de gran potencia todos los puntos de la sección simultáneamente.

• FDM. Deposición de hilo fundido. Una boquilla que se mueve en el plano XY horizontal deposita un hilo

de material a 1ºC por debajo de su punto de fusión. Este hilo solidifica inmediatamente sobre la capa precedente.

• LOM. Fabricación por corte y laminado. Una hoja de papel encolado se posiciona automáticamente

sobre una plataforma y se prensa con un rodillo caliente que la adhiere a la hoja precedente.

• DSPC. Proyección aglutinante. Esta tecnología trabaja mediante la deposición de material en polvo en capas y la ligazón selectiva del mismo mediante la impresión de "chorro de tinta" de un material aglutinante.

Técn

icas

de

RP

Polvos 1 Material SLS

Material Adhesivo Imprersión 3D

Sólidos Adherentes LOM

Extrusión FDM

Líquidos

Inkjet MJM

Sanders, Otros

Fotopolimerización SGC

SLA


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4. DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS 4.1. Estereografía (SLA) Esta técnica se basa en la posibilidad de solidificar una resina en estado líquido mediante la proyección de un haz láser de una frecuencia y potencia muy concretas. El proceso empieza con el elevador situado a una distancia de la superficie del líquido igual al grosor de la primera sección a imprimir. El láser sigue la superficie de la sección y su contorno. El líquido es un fotopolímero que cuando está expuesto a radiación ultra-violeta solidifica. Una vez solidificada esta sección, el elevador baja su posición para situarse a la altura de la siguiente lámina. Se repite dicha operación hasta conseguir la pieza final. Como consecuencia, la creación de los prototipos se inicia en su parte inferior y finaliza en la superior. El hecho de que la resina inicialmente se encuentre en estado líquido, conlleva la necesidad de generar, no sólo la geometría correspondiente a la pieza a crear, sino además, una serie de columnas que permitan soportar la pieza a medida que ésta se va generando. De no ser así las distintas capas o voladizos que son necesarios, caerían al no ser soportados por la resina líquida no solidificada. Para obtener unas características mecánicas óptimas de las piezas generadas, los prototipos son sometidos a un post-curado en un horno especial de rayos UVA.

Figura 1: Esquema de Estereolitografía (SLA)


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El procedimiento que se sigue es el siguiente:

Este proceso se repite capa por capa hasta que el prototipo esté terminado.

Una vez que el láser termina de solidificar la primera capa, el elevador baja el espesor indicado por la sección transversal y se solidifica otra nueva capa.

El láser dibuja una sección transversal sobre la superficie del tanque de resina fotocurable, solidificando así la primera capa.

Una vez procesados los datos, el elevador se sitúa a 0,003” por debajo de la superficie de la resina líquida.

Al introducir el archivo del modelo en el ordenador, la máquina lo divide en secciones transversales de 0,003”.

1 Los prototipos son translúcidos, lo cual puede ser especialmente ventajoso para determinados proyectos, o para detectar interferencias interiores en conjuntos complejos.

2 Tiene una precisión dimensional y un acabado superficial especialmente destacable.

3 Esta técnica suele ser recomendable para piezas de dimensiones reducidas o que contengan pequeños detalles que han de definirse de manera muy clara.


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Polimerización con láser UV Prototipos en resina

acrílica y epoxi

Tecnología madura Tecnología rápida

Precisión 2%

Modelos traslucidos Modelos quebradizos Requieren soportes

SLA Tecnología Materiales

Ventajas Desventajas


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4.2. Selective Laser Sintering (SLS) En vez de un fotopolímero, en este caso se utilizan polvos de diferentes materiales. Un láser sinteriza las áreas seleccionadas causando que las partículas se fusionen y solidifiquen. El modo de generación de las piezas es similar al que se explica en la sección dedicada a la Estereolitografía, en el que los elementos son generados de capa en capa, iniciando el proceso por las cotas más bajas y terminados por las superiores. Puede decirse que constituye el primer proceso de aglomeración, con importancia industrial, desarrollado para la industria siderúrgica. Un proceso continuo de gran flexibilidad que permite la conversión de una gran variedad de materiales, tales como finos de mineral de hierro provenientes de la extracción en de la mina y los generados en las operaciones de cribado en planta, polvos recolectados en filtros y otros materiales que contienen hierro, en una masa compacta llamada “Sínter”, de excelente uso en los Altos Hornos u Hornos Eléctricos para producir arrabio. El proceso sencillo en su diseño y operación, requiere no obstante de la atención sobre ciertos factores, (tales) como la preparación de una mezcla homogénea que garantice la permeabilidad en la cama de proceso, lo que a su vez contribuye a un quemado más rápido y uniforme. Al mismo tiempo los mecanismos de alimentación a la zona de quemado, deben evitar el compactamiento y asegurar una cama uniforme. El proceso se lleva a cabo en una cadena movible que recibe la mezcla de materiales que contienen hierro junto con un combustible, generalmente coque fino. Cerca del extremo de alimentación, unos quemadores a gas inician la combustión en la superficie y a medida que va avanzando el aire de la atmósfera es succionado a través de la mezcla a ser quemada. A lo largo de la cadena móvil, en su parte inferior, existen unas cajas de viento que actúan como succionadoras, de manera que la mezcla se vaya quemando transversalmente, hasta llegar a la zona de descarga donde la mezcla ya sinterizada y luego de cribada y enfriada, continúa su camino hacia el siguiente proceso. Las temperaturas generadas en este proceso varían entre 1300° y 1400 °C. Las características químicas y físicas de este material constituyen un factor primordial en su elaboración, pues mediante el apropiado control de la granulometría, así como la incorporación de los fundentes en esta etapa, contribuye al ahorro de coque en la producción de arrabio. Dado que la materia prima se encuentra en estado sólido (se trata de microesferas), no es necesario generar columnas que soporten al elemento mientras éste se va creando, por lo que no existen limitaciones de rotación de pieza como consecuencia de ello, ni la necesidad de eliminarlas posteriormente. En contrapartida, la cámara en la que se generan las piezas se encuentra a una temperatura elevada (aprox. 1º por debajo de la de sinterizado), por lo que es necesario ser cuidadoso con la orientación de las piezas a generar, con el fin de evitar gradientes térmicos importantes que podrían torsionar la pieza, sobre todo si se trata de paredes de grosor pequeño, o grandes superficies planas, las cuales deberían de ser generadas partiendo de una sección pequeña, mediante unas rotaciones adecuadas. Para obtener unas características mecánicas óptimas de las piezas generadas, los prototipos son sometidos a un post-curado en un horno especial de rayos UVA.


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Figura 2: Esquema de Sinterización Selectiva por láser (SLS)

1 Al tratarse de un poliamida, sus características mecánicas, en muchas ocasiones, son próximas a las que corresponderían al material definitivo.

2 Es posible realizar piezas, en las que el material tenga una carga del 30 % F.V.

3 Son elementos especialmente indicados para conjuntos en los que se prevé un montaje y desmontaje en la fase de prueba.


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El procedimiento que se sigue es el siguiente:

Se repite el proceso, es decir, se vuelve a esparcir otra capa de polvo y el láser la vuelve a sinterizar, hasta terminar la pieza.

Usando la información del archivo, un láser de O2 dibuja selectivamente una sección transversal del objeto sobre la capa de polvo. A medida que el láser dibuja la sección, el material se sinteriza (calienta y funde) creando una masa sólida que representa una

sección transversal del objeto.

Se sinteriza una sección del archivo CAD.

Se esparce una capa de material SLS en polvo por la superficie de construcción.

Se introduce en el ordenador y este lo procesa.

Partimos de un archivo STL de datos 3D obtenidos en el modelado CAD.

Sinterización con láser CO2 Prototipos en PVC,

policarbonatos, nylon y ceras

Material más barato Más variedad de materiales

No hacen falta soportes

Tolerancias del 5% Tecnología más nueva

Aspecto laminado

SLS Tecnología Materiales



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4.3. Laminated Object Manufacturing (LOM) Los principales componentes del sistema LOM son un mecanismo de alimentación que avanza una hoja de desde una plataforma de construcción, un rodillo calentado aplica presión para unir la hoja a la capa de abajo, y un láser corta el contorno de la pieza en cada una de las capas de la lámina. Las piezas se producen por el apilamiento, unión y corte en capas de una hoja recubierta con adhesivo en la parte superior con la anterior. Un láser corta el contorno de la pieza en cada capa. Después de que se completa cada corte, la plataforma desciende por una profundidad igual al espesor de la lámina (típicamente en 0,002-0,020), y otra hoja se hace avanzar en la parte superior de las capas previamente depositadas. La plataforma se eleva ligeramente y el rodillo calentado aplica presión para unir la nueva capa. El láser corta el contorno y el proceso se repite hasta que se completa la pieza. Después de una capa se corta, el material extra permanece en el lugar para apoyar la pieza durante la compilación. El procedimiento que se sigue es el siguiente:

El láser corta el contorno y el proceso se repite hasta que se completa la pieza.

La plataforma se eleva ligeramente y el rodillo calentado aplica presión para unir la nueva capa.

Otra hoja se hace avanzar en la parte superior de las capas previamente depositadas.

La plataforma desciende por una profundidad igual al espesor de la lámina

Un láser corta el contorno de la pieza en cada capa.

La hoja se adhiere a un sustrato con un rodillo caliente.


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Figura 3: Esquema máquina LOM

Corte laminado por láser Prototipos en papel,

poliester y nylon-celulosa

Precisión hasta 0,1% Material más barato

Deformación en las láminas

LOM Tecnología Materiales



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4.4. Fused Deposition Modeling (FDM) La tecnología de Modelado por Deposición Fundida (FDM) utiliza un material plástico o cera que se extruye a través de una boquilla que traza una capa de geometría en una sección transversal de la pieza por capa. El material de construcción normalmente se suministra en forma de filamento, pero algunas configuraciones utilizan gránulos de plástico procedentes de una tolva en su lugar. La boquilla contiene calentadores resistivos que mantienen el plástico a una temperatura justo por encima de su punto de fusión para que fluya fácilmente a través de la boquilla y forma la capa. El plástico se endurece inmediatamente después de que fluye de la boquilla y bonos a la capa de abajo. Una vez que una capa está construida, la plataforma baja, y los depósitos de boquillas de extrusión otra capa. El espesor de la capa y la precisión dimensional vertical, se determina por el diámetro de la boquilla del extrusor, que oscila 0,013 a 0,005 pulgadas. En el Plano XY, Resolución 0.001 pulgadas es alcanzable. Una gama de materiales disponibles, incluyendo ABS, poliamida, policarbonato, polietileno, polipropileno, y la cera de fundición de precisión.

Figura 4: Esquema máquina FDM


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Actualmente se utilizan varios materiales para este proceso de fabricación.

• Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) • Poliácido láctico (PLA) • Policarbonato • Policaprolactona (PCL) • Polifenilsulfona (PPSU) • Polieterimida (PEI) La polieterimida "Ultem 9085" es resistente al fuego y a los disolventes. • Ceras • Chocolate y otros alimentos para uso en repostería • Acetato de polivinilo (PVA) utilizado para soportes hidrosolubles

Deposición de hilo Prototipos en cera, ABS

y plástico tipo nylon

Material más barato Más rápido que SLA

No hacen falta soportes Apariencia granulada

FDM Tecnología Materiales



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4.5. Impresoras 3D (3D Printing o 3DP) El proceso de la Impresión tridimensional (3DP) es similar al proceso de sinterización selectiva por láser (SLS), pero en lugar de utilizar un láser para sinterizar los materiales, utiliza la inyección de un líquido adhesivo que une el material. Existen otros materiales, que incluyen polvos de metal o de cerámica, son algo limitado, pero son más baratos. La impresión 3D ofrece la ventaja de, construir con rapidez, por lo general 2-4 capas por minuto. Sin embargo, la exactitud, el acabado superficial y la resistencia de la pieza no son es tan buenos como en otros procesos aditivos. La impresión 3D, se utiliza normalmente para la creación rápida de prototipos de modelos conceptuales (pruebas funcionales). El proceso de impresión 3D comienza con el calentamiento de la máquina y el llenado de la cámara de construcción, con el material, y de ser necesario, realineará automáticamente los cabezales de impresión. A continuación, comienza la creación del modelo, depositando una capa de polvo. El carro de impresión se mueve a través del aglutinante y deposita una capa (o tintas para un modelo de color) en el patrón de la primera rebanada y se repetirán hasta que el modelo es complete. El aglutinante se solidifica en la sección transversal del modelo, dejando el resto del polvo seco para su reciclaje. Después de cada capa, el pistón de la cámara de construcción reduce el polvo en el lecho y se prepara para la siguiente capa. El proceso se repite hasta terminar la pieza. Una vez terminado, el modelo se suspende en el polvo para curar. Al final del tiempo de curado, la máquina aspira automáticamente la mayor parte del polvo de todo el modelo y lo recicla para su uso en futuras construcciones.

Figura 5: Esquema Impresora 3D


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4.6. Moldes de Silicona / Coladas de Resina Como complemento a las tecnologías de sinterizado y estereolitografía se pueden producir moldes de silicona utilizando los prototipos como masters, y obteniendo hasta 20 juegos en un material semi-bueno, imitando polipropileno, ABS, policarbonato, poliamida.. Soft Tooling, son moldes de base Silicón o Uretanos fabricados al alto vacío, cuyo objetivo es el de crear decenas o centenas de partes idénticas geométricamente al de un Prototipo Rápido a una fracción del costo del Prototipo y con propiedades similares a las del producto final. Esto permite valorar más objetivamente el producto antes de proceder a la fabricación de los modelos finales (moldes de inyección p.ej.) 4.7. Fabricación por CNC La fabricación por CNC consiste en fabricar por medio de una herramienta, cuya trayectoria y velocidad es controlada por un software de CAM, en un ordenador. Este método es considerado uno de los más comunes métodos de RP con las ventajas de que el material del que se produce el RP no cambian debido al proceso, las máquinas son relativamente económicas comparadas con los otros métodos, sin embargo, para algunas aplicaciones aún con 5 ejes simultáneos no es posible reproducir geometrías complejas por las que la herramienta no puede entrar. 4.8. Prototipo Virtual No está de más el recordar a estas alturas que una de las metodologías de prototipado que más se utiliza en los trabajos cotidianos consiste en el denominado “prototipado virtual” que no es más ni menos que el máximo exponente de las aplicaciones de CAD y de Modelado de Sólidos. Por prototipado virtual entendemos, el poder disponer del modelado sólido en el ordenador (en un fichero), y que nos permita hacer simulaciones, cálculos y diversas pruebas según los materiales, condiciones de trabajo, modificación de cotas y formas, Elementos Finitos, renderizados virtuales con distintas texturas y materiales, animaciones, etc , pruebas que nos permitirán depurar los modelos antes de su “ejecución final”. Para ello, existen una gran variedad de programas con soluciones CAD/CAM/CAE 3D paramétricas e integradas como: CATIA, PRO/ENGINEER, SOLIDWORKS, Autodesk INVENTOR, Autodesk AUTOCAD, entre otros.


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5. FASES DEL PROCESO PARA CREAR UN PROTOTIPO

6. APLICACIONES DEL PROTOTIPADO RÁPIDO Básicamente las técnicas del Prototipado Rápido, tienen como objetivo el obtener de manera rápida y exacta una réplica tridimensional de los diseños que han sido generados mediante aplicaciones CAD en 3D. Estos modelos físicos pueden ser únicamente estéticos y útiles en consecuencia para estudio de formas y estudio de la aceptación por el mercado potencial al que van dirigidos, o pueden cumplir con algunas o buena parte de los requerimientos mecánicos que tendría la pieza definitiva, ofreciendo en este caso, la posibilidad de realizar pruebas funcionales e incluso de homologación antes de que existan ni siquiera los moldes preliminares. La mayor o menor similitud que pudiera existir entre el modelo definitivo y el obtenido mediante las técnicas de prototipado rápido dependerán básicamente del sistema utilizado para su generación y de limitaciones dimensionales, de complejidad y de post-procesos aplicados. Las ventajas que ofrece la utilización sistemática de esta tecnología dentro del proceso global del lanzamiento de un nuevo producto, y/o en el de modificación y/o mejora de productos ya existentes, abarca a casi todos los departamentos que, directa o indirectamente están involucrados en él. Sin ánimo de ser exhaustivos, se destacarán las siguientes ventajas: Disponer de una herramienta de comunicación física que no ofrece ningún tipo de duda, no permitiendo

en consecuencia interpretaciones distintas y/o erróneas. Permite realizar determinadas pruebas funcionales, de montajes e interferencias.

Facilita extraordinariamente la relación entre clientes y proveedores. Facilita, y en muchos casos

estimula, la aportación de mejoras ya sea en el diseño y su funcionalidad, ya sea en el proceso productivo.

Las técnicas de prototipado rápido pueden ser aplicadas a las más diversas áreas tales como, automoción, aeronáutica, marketing, restauraciones, educación, medicina, arqueología, paleontología y arquitectura.

Creación de los moldes para las

piezas en inyección.

Creación de los Moldes

Creación de las piezas en

Estereolitografía (STL).

Verificación y comprobación

de las piezas

Fabricación Prototipos

Creación del modelo en 3D

con programas CAD/CAM

Comprobación del montaje y

funcionamiento de las piezas que

componen el producto.

Diseño en 3D

Se define la idea del producto,

dibujando bocetos en 2D.

Diseño de la idea


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7. CONCLUSIONES La posibilidad de obtener prototipos sin que para ello sea necesario diseñar y fabricar los útiles supondría, además de un evidente ahorro de tiempo, un ahorro de costes importante. Optimizar por medio de una mejora iterativa del producto en la fase de desarrollo los aspectos estéticos, ergonómicos, de fabricación y compatibilidad con otras piezas del mismo módulo antes del lanzamiento de la pre-serie. Compatibilizar la obtención de prototipos con otras técnicas (fundición en series cortas) para no emplear técnicas de arranque de viruta y así conseguir una mayor rentabilidad en piezas de gran precisión y fiabilidad. Se está valorando más la precisión que la rapidez de polimerización, por lo que las resinas epoxi están marcando la evolución de la oferta de resinas para el Prototipado Rápido. Una línea interesante en la actualidad es el desarrollo de sistemas híbridos, que tratan de combinar facilidad de polimerización con precisión, así como aplicaciones cada vez más específicas, como pueden ser las resinas bio-compatibles para prótesis. Estas técnicas representan un gran paso hacia adelante, alejándonos de la imposibilidad de reflejar las ideas tan sólo en formato 2D, y brindándonos la posibilidad de imprimir modelos tridimensionales en un corto espacio de tiempo. Estamos ante unas técnicas que están presentando un gran crecimiento en su utilización y en la mejora de sus prestaciones, llegándose a hablar en las últimas ferias especializadas de “Rapid Manufacturing” ya que las piezas son en realidad piezas finales acabadas y no puramente “prototipos”. Estas técnicas empiezan a dejar de ser consideradas en I+D (Investigación y Desarrollo) para integrarse en lo que podemos denominar “sistemas productivos” ya que su objetivo, además de facilitar el diseño, pretende ser el de fabricación de las piezas finales.

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