Trabajo Evaluación Prototipado Rapido - Dmls - Ruben Jacob - Master Cadcamcim

MASTER CAD CAM CIM 2009-2010

ASIGNATURA PROTOTIPADO RAPIDO

TECNOLOGAS DE PROTOTIPADO RPIDO:

DIRECT METAL LASER SINTERING (D.M.L.S.)

PROFESOR: EMILIO IRRIBARREN

ALUMNO: RUBEN JACOB D.

VIERNES, 02 DE ABRIL 2010

TRABAJO DE EVALUACION PROTOTIPADO RPIDO DIRECT LASER METAL SINTERING PG.2

MASTER CAD CAM CIM 2009- 2010 - RUBEN JACOB D.

02 DE ABRIL DE 2010

NDICE.

1. INTRODUCCIN ________________________________________ PG. 03

2. DEFINICIN DE LAS TECNOLOGAS DE PROTOTIPADO RAPIDO

________________________________________ PG. 04

3. DESCRIPCIN DEL PROCESO ________________________________________ PG. 05

4. ESPECIFICACIONES TCNICAS DEL DMLS.

________________________________________ PG. 07

5. TECNOLOGAS SIMILARES ________________________________________ PG. 10

6. DESARROLLO Y EVOLUCIN DEL DMLS.

________________________________________ PG. 13

7. APLICACIONES DEL DMLS ________________________________________ PG. 17

APLICACIONES MDICAS Y ODONTOLGICAS ________________________________ PG.17

APLICACIONES EN AUTOMOCIN Y AERONUTICA ________________________________ PG.19

APLICACIONES EN INDUSTRIAL DE FABRICACIN ________________________________ PG.19

APLICACION DIRECTA EN DISEO DE PRODUCTOS ________________________________ PG.20

APLICACIONES EN JOYERA ________________________________ PG.22

APLICACIONES EN ARTE Y DECORACIN ________________________________ PG.22

8. DEFECTOLOGA ________________________________________ PG. 23

9. CONCLUSIONES Y PROYECCIONES DE LA TECNOLOGA

________________________________________ PG. 25

10. BIBLIOGRAFA ________________________________________ PG. 28



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1. INTRODUCCIN.

El presente documento pretende a entregar una visin amplia, pero a la vez profunda, de la tecnologa denominada Direct Metal Laser Sintering (DMLS), tambin conocida en pases de habla hispana como Sinterizado Directo de Metal (o de Polvo Metlico en trminos ms precisos).

Dicha tecnologa es propiedad de la firma EOS GmbH (Electro Optical Systems), y como muchas tecnologas de prototipado rpido o manufactura rpida, la firma mencionada es no slo propietaria de la tecnologa en si misma, sino tambin del nombre que la define, lo que lleva a que, existiendo tecnologas muy similares, sea slo la utilizada en las mquinas producidas por EOS, la nica que es denominada DMLS.

Para dar una visin cabal se proceder a describir en qu consiste exactamente la tecnologa, vale decir su proceso para llegar a producir una pieza a partir de un fichero CAD. Posteriormente se dar una visin breve del origen del concepto aparecido en la dcada de 1970, hasta llegar a convertirse en una tecnologa comercial y viable durante la primera dcada del presente siglo.

Posteriormente se elaborar una comparativa, ya que si bien el enfoque central es hacia la tecnologa de EOS y sus equipos EOSINT, existen tecnologas de otras empresas extremadamente similares que deben mencionarse, como el EBM Electron Beam Melting o Fundido de polvo metlico por haz de electrones en las mquinas A Series de la empresa Arcam, MTT con el proceso Selective Laser Melting o Fundido Selectivo por Lser (SLM) y las mquinas de la lnea SLM, Concept Laser con la tecnologa Laser Cusing y los equipos M3Linear, y Trumpf con las tecnologas Direct Laser Forming (DLF) y la maquinaria Trumaform.

Una de las principales caractersticas de las tecnologas de prototipado rpido es la amplia gama de aplicaciones que poseen, por lo que tambin se dedicar una seccin importante a documentar casos reales donde el DMLS ha servido como mtodo de elaboracin de productos, partes, o piezas, moldes o matrices, etc. Las limitaciones tcnicas y defectos ms comunes a la hora de producir piezas complejas tambin ser consignada.

Finalmente se dar una visin prospectiva de la tecnologa y las posibilidades de accin futuras que sta y las tecnologas similares poseen en los diversos campos en que se aplican.

Para la realizacin de ste documento se han consultado diferentes fuentes electrnicas y tradicionales, las que se sealan en el apartado de bibliografa. Todo el texto, sin embargo, es de redaccin y elaboracin propia del autor de ste trabajo a menos que se indique lo contrario, en cuyo caso se remite al nmero que posee el documento de consulta en la bibliografa antes mencionada. En el caso de las imgenes, tablas y grficos se indica junto a ellas la procedencia y crditos correspondientes.



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2. DEFINICIN DE LAS TECNOLOGAS DE PROTOTIPADO RPIDO.

El Prototipado Rpido, debe entenderse como un conjunto de tecnologas utilizadas principalmente en la empresa, que permiten la obtencin de formas tridimensionales y tangibles desde un fichero CAD, tanto funcionales como de utilidad meramente esttica, utilizados para objetivos de comunicacin de ideas y estados de avance y desarrollo.

Permiten entre otras cosas evitar la realizacin de un costoso proceso tradicional de fabricacin industrial para la obtencin de prototipos en etapas donde los productos aun se encuentran sin definir completamente, obteniendo formas complejas y precisas en tiempos bastante breves. Son adems una tcnica de conformacin aditiva, es decir agregan material, en lugar de quitarlo desde un bloque de partida, por ello no tienen casi prdida alguna de material. Esto permite probar, por ejemplo, diferentes geometras para una pieza o producto, realizar test de mercado adelantados, test de utilidad en el caso de prototipos funcionales en materiales reales o similares mecnicamente a los definitivos, incluso fotografiar un producto aun inexistente para la elaboracin de papelera y material de marketing, catlogos, etc.

Una de las clasificaciones que comnmente se utiliza para ordenar las tecnologas de RP consiste en denominarlas de primera fase o segunda fase dependiendo si mediante su uso resulta posible obtener directamente las piezas deseadas, o bien se generan moldes o matrices a partir de las cuales, en un nuevo proceso, ser posible obtener la pieza en cuestin. Veremos como la tecnologa DMLS rompe con dicha clasificacin resultando til en ambos casos.

Si bien muchas de estas tecnologas fueron conceptualmente creadas entre 1965 y 1980, vieron la luz comercialmente slo en 1987, con la aparicin de la Estereolitografa y la mquina SLA-1 de 3D Systems como una tecnologa comercial de carcter prctico y alcanzable econmicamente para las empresas y centros de estudio que las utilizaban en ese entonces.

Fotos 1 y 2. Pieza en estereolitografa y mquina en proceso de trabajo. Fotos del autor. Valencia, 2002.

Este proceso defini la que es aun la gran caracterstica comn de las tecnologas de PR, la construccin por finas capas en las que el modelo 3D es dividido y que al generarse y unirse una sobre otra crean la pieza total, las que en este caso eran solidificadas en un lecho lquido de una resina especial. Similares a sta tecnologa surgieron muchas ms, fue recin con la aparicin en 1991 del FDM (Fused Deposition Modeling) de la empresa Stratasys que el paradigma fue



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modificado y en lugar de solidificar resina lquida mediante rayos UV se iba generando la forma por el depsito de un material fundido, de sta forma y tambin capa a capa, se iba creando el objeto que se deseaba conformar. La aparicin de tecnologas ms similares al DMLS debi esperar al ao siguiente cuando en 1992 la firma DTM lanz al mercado el SLS o Sinterizado Laser Selectivo, que solidificaba mediante un lser y tambin capa a capa, un lecho de polvo polimrico para crear la forma deseada.

3. DESCRIPCIN DEL PROCESO.

El DMLS consiste, al igual que el anteriormente citado Sinterizado Lser Selectivo, en la solidificacin incremental de finsimas capas de polvo (en ste caso polvo metlico especialmente formulado como se ver ms adelante), las que depositadas y unidas una sobre la otra forman la pieza. Es posible lograr una densidad casi total entre las partculas de polvo, generando piezas macizas de alto peso y resistencia.

Para lograr lo anterior el proceso es realizado en maquinaria especialmente concebida y que trabaja de la siguiente manera, segn muestran los esquemas (los esquemas son propios, y realizados para ste documento) y se explica a continuacin.

EOS EOSINT M270 (WWW.EOS.INFO)

a. Existe un depsito de polvo (Depsito 1, Suministro de Polvo Metlico) con su cara superior abierta y con fondo mvil (Plataforma Dispensadora de Polvo, que se mueve verticalmente), que comienza el proceso lleno de material y con su fondo mvil en su lmite inferior, durante el proceso el fondo mvil avanza gradualmente hacia arriba el espesor de una capa de material a solidificar gracias al Pistn dispensador de Polvo.

b. Existe un depsito de polvo de forma cbica ubicado inmediatamente al costado del depsito anterior (Depsito 2, Lecho de Polvo metlico), que tiene su cara superior abierta y su cara inferior o fondo es mvil (Plataforma de Construccin, que se puede mover verticalmente). Este depsito que es donde se construir la pieza comienza el proceso sin material y con su fondo mvil en el nivel superior. Durante el proceso su fondo mvil se desplaza hacia abajo el equivalente al espesor de una capa de material a solidificar gracias al Pistn de Construccin.



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c. Sobre los depsitos se ubica un cabezal lser de Fibra Iterbio de alta potencia (200 W) que emite un haz, que a su vez se amplifica mediante lentes y es recibido por un espejo (Espejo Escner XY). Este espejo es mvil en dos ejes, y dirigido por la mquina con la informacin obtenida al leer el archivo CAD y las capas obtenidas a partir de ste, permitiendo que el espejo refleje el lser, atraviese el gas inerte que llena la cmara cerrada de la mquina y lo dirija hacia el primer depsito para solidificar el polvo en la forma deseada. El laser penetra a muy poca profundidad sobre el polvo en el depsito, creando una capa delgadsima y slida del material fusionado con una alta densidad, casi del 100%.

d. Existe un brazo con una paleta alisadora (Recoater Arm) que se desplaza entre los dos depsitos justo en su lmite superior, y que desplaza el polvo ubicado en la Plataforma Dispensadora de Polvo hacia la Plataforma de Construccin, en la medida que uno sube y el otro baja, generando una nueva finsima capa de material sin solidificar sobre el material solidificado en el paso previo, vaciando paulatinamente el primer depsito y llenando el segundo. Este proceso ocurre cada vez despus de que el laser ha solidificado una capa de material. El polvo que queda sin solidificar acta como material de soporte para la pieza hasta que esta es extrada del lecho.



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4. ESPECIFICACIONES TCNICAS DEL DMLS.

El proceso de DMLS resulta ser el ms verstil en cuanto a materiales se refiere, de entre las tecnologas de prototipado rpido en metales, posee una gama cada da mayor de aleaciones y metales en polvo que pueden ser procesados por el sistema EOSINT M 270, la mquina actual de EOS para sta tecnologa. Previamente fueron la EOSINT 250 y 250 extended. EOS desarrolla materiales en forma de polvo metlico con rapidez al ser su punto de diferenciacin con la competencia. La siguiente tabla muestra los materiales que se comercializan para DMLS, sin considerar los actualmente en preparacin, y sus usos ms frecuentes.

Nombre del material Tipo de material Aplicacin habitual

EOS MaragingSteelMS1 Acero18 Mar 300 / 1.2709 Moldes de inyeccin para grandes series; piezas de ingeniera

EOS StainlessSteel GP1 Acero Inoxidable 17-4 / 1.4542 Prototipos funcionales y series de piezas; ingeniera y medicina

EOS StainlessSteel PH1 Acero endurecido 15-5 / 1.4540 Prototipos funcionales y series de piezas; ingeniera y medicina

EOS NickelAlloyIN718 Aleacin de Niquel, Inconel 718, UNS N07718, AMS 5662, W.Nr 2.4668 etc.

Prototipos funcionales y series de piezas; piezas de turbina para altas temperaturas etc.

EOS CobaltChrome MP1 Super-aleacin de Cobalto Cromo Molibdeno Co-CrMo superalloy

Prototipos funcionales y series de piezas; ingeniera y medicina, dental

EOS CobaltChrome SP2 Super-aleacin de Cobalto Cromo Molibdeno Co-CrMo superalloy

Reconstrucciones dentales (produccin en serie)

EOS Titanium Ti64 Titanio Ti6Al4V light alloy Prototipos funcionales y series de piezas; aeronutica, competicin etc.

EOS AluminiumAlSi10Mg Aleacin ligera de AluminioAlSi10Mg light alloy

Prototipos funcionales y series de piezas; aeronutica, competicin etc.

DirectMetal 20 Bronce, Bronze-based mixture Moldes de inyeccin, prototipos

Fuente: Materiales Metlicos y Plsticos Avanzados para Aplicaciones en Sectores Manufactureros con Elevados Requerimientos (Aeronutico, Biomdico, Competicin, Industria del Molde): Presentacin de Casos de xito, Presentacin PowerPoint Victor Paluze vila, 15 de Octubre 2009.



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Datos tcnicos de la maquinaria de EOS, modelo EOSINT M270.

Volumen efectivo de Construccin (Includa la plataforma de construccin):

250 mm x 250 mm x 215 mm

Velocidad de fabricacin (dependiendo del material):

2 - 20 mm3/s

Espesor de capa (dependiendo del material): 20 - 100 m

Velocidad de escaneo: sobre 7.0 m/s

Dimetro de foco variable: 100 - 500 m

Consumo mximo de energa: 5.5 kW

Dimensiones: 2,000 mm x 1,050 mm x 1,940 mm

Peso aproximado. 1,130 kg

Software EOS RP Tools y Magics RP (Materialise)

interfase STL.

Datos vlidos al 01/08. Fuente datos: web de la empresa EOS, tabla elaborada por el autor de ste trabajo.

La variedad de materiales, y el proceso utilizado, que no altera sus propiedades fsico-mecnicas ni qumicas, permite lograr piezas con caractersticas diversas segn lo deseado, por ejemplo piezas de bajo peso y buena resistencia para prtesis dentales u seas, piezas de altsima resistencia y densidad equivalente a una pieza de metal slido, para prototipos de piezas mecnicas, motores, etc., sometidas a esfuerzos importantes, piezas que no se corroen al someterse a condiciones de salinidad o intemperie debido a que sus materiales se comportan tal como los materiales desarrollados para produccin final, etc. El acabado superficial es aun perfectible, sin embargo los procesos de pulido posterior pueden por ahora solucionar los inconvenientes al respecto.

Piezas en Cromo Cobalto con 3 niveles de acabado, Rugosidad superficial de 10, 5 y 4 micras, recin fabricada, con shot peening de partculas metlicas, y con shot peening de partculas de metal y cermica.



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A continuacin se entregan las especificaciones de la superaleacin de Cobalto Cromo Molibdeno SP2 de EOS, usada principalmente en aplicaciones odontolgicas para dar una nocin de sus propiedades fsicas principales.

En la mayora de los casos se consideran las propiedades del producto recin fabricado, sin embargo estas propiedades pueden variar ligeramente si se somete a procesos posteriores, como endurecimiento mediante horno de calor, pulido superficial por arenado, granallado o tratamientos qumicos, cementacin salina, etc., todos procesos comnmente usados para piezas producidas por medios tradicionales, y que tambin son vlidos a la hora de mejorar o modificar las propiedades de las piezas creadas por DMLS.

Caractersticas de las piezas producidas.

Espesor mnimo de pared 0.02 mm

Rugosidad Superficial -Recin fabricado: Rug. 8 m, Rug. en Z 30 a 50 m.

-Pulido (Shot peening): Rugosidad hasta 1m

Propiedades mecnicas de las piezas a 20 c

Resistencia a la traccin: 1,350 MPa 100 Mpa.

Lmite elstico (Rp 0.2 %) 1200 MPa 100 Mpa.

Estiramiento para rotura, A5: 4 to 6%.

Mdulo de elasticidad (Young): 170 GPa 20 Gpa.

Dureza HV10: 350 to 450 HV

Propiedades trmicas despus de la fabricacin.

Coeficiente de expansin trmica (25 a 500C) 14.0 a 14.2x10-6 m/m

Intervalo de Fusin 1,420 a 1,450C

Fuente Artculo online Don't machine metal parts, Build them Mike Shellabear Vice President DMLS technology Joseph Weilhammer, Product Manager DMLS technology EOS, Mar 1, 2008. Tabla y traduccin por el autor de ste trabajo.



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Como se menciona previamente, la tecnologa de DMLS rompe la clasificacin de tcnicas de prototipado rpido de primera o segunda fase, y aparece como una tecnologa de fabricacin real, viable y usada hoy por algunas empresas. Sin embargo aun no es masiva dado su costo, y el habitual recelo de las empresas, principalmente las medianas y pequeas, ante la aparicin de tecnologas novedosas.

La aparicin de ste tipo de tecnologas ha hecho que el concepto de Rapid Manufacturing, originalmente reservado para el mecanizado de alta velocidad, sea tambin aplicable a las tecnologas de fabricacin por capas, que hasta entonces estaban restringidas a la produccin de piezas de utilidad principalmente esttica, o bien funcionales per con bajas solicitaciones mecnicas, y muy rara vez, utilizando el material que se utilizara en la pieza o producto final.

El alto costo actual de las mquinas (entre US$350.000 y 700.000), tanto de EOS como de su competencia, harn que esta tecnologa sea por un tiempo prohibitiva para las empresas pequeas incluso cuando stas noten su utilidad, debiendo subcontratar los servicios, los que tampoco son baratos, como ejemplo una pieza maciza de 40x40x20 mm con un espesor de capa de 20 micras puede bordear los US$650 dependiendo del material.

5. TECNOLOGAS SIMILARES

Como se menciona anteriormente, en el rea de las tecnologas, y en particular en la del Prototipado Rpido, resulta frecuente que por ejemplo, sistemas de produccin que trabajan bajo principios similares, deban conocerse con nomenclaturas diferentes, dada la exclusividad que involucran los actuales sistemas de patentes y registros de la propiedad intelectual.

Es por ello que pese a que la tecnologa de DMLS de EOS es hoy la ms conocida y extendida comercialmente en cuanto al sinterizado directo de polvos metlicos mediante lser, est muy lejos de ser la nica. Junto a ella se comercializan maquinaria e insumos de otras casas comerciales, que pese a sus diferentes nombres y cdigos, realizan el mismo proceso casi de idntica manera. Como se ver en el apartado n5, muchas de esas tecnologas se desarrollaron al mismo tiempo que la de EOS, y no resultara correcto considerarlas una copia de la tecnologa que hoy es la ms difundida, la que destaca ante las dems principalmente por su amplia gama de materiales, versus el nmero limitado de sus rivales.

SELECTIVE LASER MELTING (SLM, Fundido Selectivo por Lser) DE MCP.

La firma alemana MCP Group desarroll casi en paralelo la tecnologa SLM, y hoy las mquinas de la lnea SLM tienen tambin un alto porcentaje de ventas entre quienes buscan tecnologas aditivas de conformacin metlica. El proceso es prcticamente idntico al DMLS, el lser se desplaza segn la informacin proporcionada por un escner x-y, y atravesando una cmara de gas inerte solidifica un lecho de polvo, luego la plataforma de construccin baja, se aplica una nueva capa de polvo la que se alisa al nivel exacto, y el proceso se repite.



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Imagen esquemtica del proceso de SLM, Autor, Materialgeeza, material libre en internet.

Caractersticas tcnicas:

rea de construccin: 250 x 250 x 300-400 mm (x, y, z)

Espesor de capa: 20 - 100 m

Velocidad de fabricacin: 2 - 20 cm3/h. (dependiendo del material) materiales

Materiales:

Aceros Stainless Steel 316L and 17-4PH, H13 Tool Steel,

Aluminio Al-Si-12Mg and Al-Si-10Mg,

Titanio CP, Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb,

Aleacin Cobalt-Chrome (ASTM75),

Inconell 718 and 625

Fuente: Catlogo MTT SLM 2007(www.mtt-group.com).

LASERCUSING DE CONCEPT LASER.

Concept Laser con la tecnologa LaserCUSING, ha desarrollado sus equipos M3Linear, que destacan por ser plataformas modulares, donde con el mismo equipamiento base es posible contar con una mquina de prototipado rpido para sinterizacin de polvo metlico monocomponente, una plataforma para erosin por lser, y otra para grabado. Se hace nfasis en la mnima deformacin de la pieza y en su alta densidad cercana al 100%.



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rea de construccin: 300 x 350 x 300 mm (x, y, z)



Materiales:

Aceros inoxidables CL 20ES ( 1.4404 )

Aceros templados CL 50WS, CL 60DG

Acero para moldes de inyeccin de plsticos CL 51WS ( 1.2343 )

Aceros inoxidables CL 20ES ( 1.4404 )

Aceros de alta calidad CL 70VS ( 1.7225 )

Aleaciones de titanio CL 30TI ( en preparacin )

Aleaciones de aluminio CL 40AL (en preparacin

Fuente: Presentacin LaserCUSING conferencia CIBIM2009

DIRECT LASER FORMING (DLF) DE TRUMPF.

imgenes de piezas logradas por el proceso DLF de TRUMPF. (web de la empresa, www.trumpf-laser.com)

La firma Trumpf mediante la maquinaria de la lnea Trumaform comercializa un proceso de fundido de polvo metlico en atmsfera inerte mediante laser que han llamado Direct Laser Forming, con exactas caractersticas a los anteriores, alta densidad, baja deformacin, y capacidad de conformar cualquier geometra. Trumpf es quizs ms conocida por su proceso DMD (Direct Metal Deposition) que se utiliza principalmente para adherir materiales a partes y piezas ya existentes, por ejemplo partes mecanizadas previamente a las que se les adhiere o recubren con material de mayor resistencia



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mediante esta tecnologa, o bien para reparacin de moldes y piezas costosas que no pueden desecharse por defectos o roturas pequeas.


rea de construccin: 130 x 250 x 160 mm (x, y, z)



Materiales:

Acero Tool steel 1.2343

Acero Inoxidable Stainless steel 1.4404

Titanio TiAl 6v4

Fuente: Catlogo MTT SLM (www.mtt-group.com).

Existen adems de los mencionados, otros procesos que son capaces de realizar conformacin rpida de metales, como por ejemplo:

3DP Printing de ProMETAL con mquinas de la serie R

ELECTRON BEAM MELTING (EBM, Fundido de polvo metlico por haz de electrones) en las mquinas A Series de la empresa Arcam

Laser Engineered Net Shaping, (LENS, Conformado por) de Sandia National Laboratories.

Dichos procesos sin embargo poseen una mayor diferencia con el DMLS y su principio de trabajo es tambin divergente pues por ejemplo en el proceso LENS el laser se mantiene fijo y el polvo metlico es proyectado segn la forma a producir, en 3DP el metal es aglutinado con adhesivos de forma similar a los procesos ya existentes con polmeros y debe ser tratado posteriormente trmicamente, en el proceso EBM no es un lser sino un haz de electrones el que funde el polvo metlico.

Adems debe considerarse que cada da estn surgiendo nuevas mejoras y nuevos procesos en tecnologas de Layer Manufacturing (como tambin se conoce al prototipado rpido), por lo que sin duda pronto existirn aun ms sistemas similares e incluso superiores.

6. DESARROLLO Y EVOLUCIN DEL DMLS.

Para comprender cabalmente la similitud entre las tecnologas tratadas y el DMLS, se hace necesario escudriar en los orgenes de algunas de ellas, lo que no resulta difcil considerando la juventud de todas stas tecnologas de fabricacin y la informacin existente, sin embargo se revisarn de modo breve pues no es la intencin variar el carcter tcnico de ste trabajo por uno histrico.



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La informacin de ste apartado se basa en los artculos Rapid manufacturing of metal components by laser forming, Edson Costa Santos, Masanari Shiomi, Kozo Osakada, Tahar, Artculo en International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 (2006) y Dmls, development history and State of the art, M. Shellabear1, O. Nyrhil, Presentado en la conferencia LANE 2004, Erlangen, Alemania, Sept. 21-24, 2004, sin embargo cabe mencionar que tanto como la sntesis como la traduccin (ambos artculos estn en ingls) son obra del autor de ste trabajo.

Las primeras aproximaciones a lo que conocemos como Sinterizado Directo de Metal por Laser o DMLS, su sigla en ingls, se remontan a 1971, cuando el francs Pierre Ciraud patent una aplicacin descrita como un mtodo para fabricar artculos de cualquier geometra, mediante la aplicacin de material en polvo.

A pesar de que lo creado por Ciraud guarda bastante distancia con las tecnologas comerciales que se utilizan en la actualidad, podemos ver en esta aplicacin un antecedente de lo que sern las tecnologas 3D de conformacin laser, ya que este invento hace posible la fabricacin de partes, de formas extremadamente complejas, sin necesidad de contar con moldes para hacerlo.

Otra idea al respecto fue la de Ross Housholder, que en 1977 patent lo que describi como un sistema, cuyo objetivo era proveer un proceso de modelado nico y nuevo para formar artculos tridimensionales en capas y cuyo proceso puede ser controlado por tecnologa moderna como la de computadores. El testeo de este sistema, se hizo sin la utilizacin de laser, dado su altsimo coste en la poca, sin embargo es esta idea de Housholder la que tiempo ms tarde, bajo licencia de DTM Corporation se patentara para desarrollar su propia tecnologa, como observaremos posteriormente.

La mquina inventada por Ciraud a la izquierda, y la creada por Householder a la derecha, dibujos para patentamiento, fuente: Rapid manufacturing of metal components by laser forming, Edson Costa Santos, Masanari Shiomi, Kozo Osakada, Tahar, Artculo en International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 (2006).



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En 1986 el estudiante de postgrado de la Universidad de Texas, Carl Deckard, investig un mtodo similar al de Hull, al que llam PGLSS, cambiando posteriormente su nombre a Sinterizado Laser Selectivo (SLS). Una iniciativa similar realiz en el ao 1987 Michael Feygin, que cabe mencionar, pues se trataba de un sistema que inclua un proceso basado en polvo para el sinterizado del metal.

Los primeros pasos en la comercializacin de los mtodos de fabricacin aditiva, as como la fabricacin aditiva de sinterizado de materiales en polvo, comenz con Chuck Hull, quien en 1984 y a travs de su compaa 3D Systems, dio curso a la versin comercial de esta tecnologa. La patente de esta innovacin para la industria fue la primera en sealar en detalle un mtodo de trabajo y maquinaria para construir objetos tridimensionales por capas.

Su comercializacin despert un gran inters e inspir a muchos otros que siguieron trabajando en el desarrollo de esta tecnologa. Hull se dio cuenta que el concepto no estaba limitado a lquidos y, por lo tanto, en 1987 le dio el nombre genrico de estereolitografa, estableciendo que ste cubra cualquier material capaz de solidificacin o material capaz de alterar su estado fsico, lo que tambin constituye una diferencia conceptual con todo lo visto anteriormente.

Ampliando el concepto, 3D Systems incluye en el ao 1997 la tecnologa SLS como otro tipo de estereolitografa, basada en la solidificacin selectiva de de capas de materiales polimricos mediante el uso de laser.

La relevancia del trabajo de Hull para el desarrollo de la tecnologa DMLS se basa en que ste avanza en cuanto a la cobertura de aspectos fundamentales para las tecnologas de fabricacin aditivas actuales, como la preparacin de informacin va modelos poligonales (archivos STL), por ejemplo.

El primer sistema comercial formal para el sinterizado lser fue el Sinterstation 2000 de la empresa DTM con base en Austin, Texas, que se distribuy comercialmente en diciembre de 1992. El segundo sistema de esas caractersticas fue lanzado por la empresa EOS Gmbh de Munich, Alemania y cuya comercializacin data de Abril de1994. Tiempo despus, DTM implement un mtodo indirecto a travs de sinterizacin laser, conocido como Rapid Tool, que se lanz a fines del ao 1995. En el ao 2001, DTM y sus avances en esta rea seran propiedad de 3D System.

El primer sistema de comercializado para el Sinterizado Directo de Metal por Laser fue un desarrollo conjunto entre el sistema de sinterizado polimrico existente creado por EOS y el desarrollo de la pulvimetalurgia que vena desde Electrolux Rapid Development (ERD), en Rusko, Finlandia. En 1989, O. Nyrhl inventa un nuevo polvo para sinterizado sin presin (el sinterizado por presin es un proceso industrial existente para fabricacin masiva) con un muy bajo factor de deformacin.

Con la idea de usar este nuevo concepto de polvo para DMLS busca socios financieros, logrando un acuerdo de cooperacin entre ERD y EOS en 1994.

Las p rimeras pru eb as de sistemas emp iezan en el mismo a o y en 1 9 9 5 E OS ya in stala los primeros sistemas comerciales EOSIBT M250, usando una versin modificada del polvo de nquel y bronce creado por Nyrhl, sinterizando capas de 100 micras de espesor utilizando un laser de 100 watts, generando por fin la fabricacin de las anheladas partes con buen acabado superficial y buena



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tolerancia dimensional, imposibles de lograr en ese entonces para cualquier otro sistema de sinterizado directo de metal.

Hacia finales de 1995 la cooperativa alemana proyecta el desarrollo del DMLS para lograr la produccin masiva de partes cercanas al 100% de densidad, es decir partculas totalmente fundidas e integradas. Al proyecto se suman el Instituto Fraunhofer, Fockele & Schwarze y otras compaas.

Con posterioridad a 1995 se inicia el proceso de proliferacin del DMLS y de las tecnologas similares, a partir del xito del sistema EOSINT M250, en 1997 la cooperacin entre ERD Y EOS genera un nuevo material capaz de generar capas de 50 micras de espesor mejorando significativamente la calidad de las superficies de las piezas fabricadas, es llamado DirectSteel 50 y tambin se basa en los conceptos de Nyrlh para el desarrollo de polvos sinterizables. Posteriormente el DirectSteel 20 permitira capas de 20 micras.

Con esto el logro de piezas macizas estaba realizado y con las mejoras realizadas a travs del tiempo, como el aumento de la potencia lser, el control de la atmsfera inerte, y otras mejoras, el 2004 es lanzado el sistema EOSINT M270, que es en la actualidad el sistema comercial de EOS, y el ms vendido en el mundo con 830 sistemas instalados al 2008. (Fuente EOS).

Al mismo tiempo, empresas involucradas en la primera cooperacin, como ILT en cooperacin con Trumpf AG, desarrollan sus propias versiones de la tecnologa (algunas ya revisadas en el apartado Tecnologas similares) y deciden comercializarlas, patentndolas en el 2002, y lanzando al mercado en el 2003 el sistema Direct Laser Forming y la p lataforma Trumaform LF 250 , actualmente aun en venta.

En los ltimos aos las versiones de la tecnologa inicial aumentan y se lanzan al mercado bajo diferentes nombres de proceso y maquinaria, desarrollados por las empresas que participaron inicialmente en el desarrollo tecnolgico. Fockele & Schwarze desarrollan y bautizan REALIZER a la maquinara que lleva a cabo el proceso de Selective Laser Melting (SLM) y Concept Laser presenta la plataforma llamada M3 Linear a finales del 2001, e inventa el nombre LaserCUSING para el proceso.

Maquinaria similar ha sido desarrollada recientemente en Francia y Japn, Arcam ha creado el sistema de EBM para fundir polvo metlico por haz de electrones en lugar de lser.

Todo ello es la confirmacin que el DMLS es hoy una tecnologa que comienza su madurez y est validada para el desarrollo de componentes metlicos. Resulta anecdtico ver que quienes han desarrollado hoy las diferentes tecnologas a partir de la inicial son quienes participaron del proyecto original, por ello es que la tecnologa no est exenta de litigios sobre patentes comerciales, atendiendo principalmente a la extrema similitud entre todos los sistemas existentes.



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7. APLICACIONES DEL DMLS.

Una de las principales caractersticas de sta tcnica, dada su ilimitada capacidad para crear formas de geometras complejas, diversas, la amplitud de materiales que comienza a existir, y las necesidades que cada disciplina y rea del conocimiento tiene, es su amplia gama de aplicaciones.

La medicina, la odontologa, la fabricacin, son las reas ms comunes de aplicacin pero tambin resulta una tecnologa vlida para mltiples situaciones. A continuacin se revisarn algunas de stas aplicaciones en imgenes y breves explicaciones en cada caso.

A. APLICACIONES MDICAS Y ODONTOLGICAS.

Equipo de Laboratorio y Quirrgico:

Pinzas, guas, etc.

Material: Acero Inoxidable.

EOS PH1

Caractersticas: Pureza del material, esterilizacin

Equipo de Laboratorio (Guas de sierras) en EOS StainlessSteel 17-4

Implantes ortopdicos:

Material: Aleaciones de Titanio, Cobalto Cromo-Molibdeno

EOS CC MP1

Caractersticas: Biocompatibilidad

Implante de rodilla en EOS CobaltChrome MP1

Implante de crneo implante de cadera implante de crneo pulido y sin pulir.



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Fotografa en alta resolucin de un implante seo multimaterial, partes metlicas por DMLS, fuente: EOS (www.eos.info)

Restauraciones dentales:

Coronas y Puentes.

Material: Aleaciones de Titanio, Cobalto Cromo-Molibdeno

EOS CC MP1

Caractersticas: compatible con restauracin

con carillas (proceso odontolgico)

Piezas dentales construidas por DMLS, casos detallados en la web de EOS



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B. APLICACIONES EN AUTOMOCIN, AERONUTICA Y NUTICA.

El hecho que permite una importante incidencia de la tecnologa en stas reas es la baja cantidad de unidades de productos existentes en ellas, un coche F1, un avin o un barco slo es fabricado en una baja cantidad o a veces en una sola unidad. Esto hace que cada una de sus piezas sea extremadamente costosa si es producida por mtodos tradicionales para fabricacin en serie, sin embargo el DMLS permite la generacin de pocas o una unidad sin problema alguno.

Maquetas, Modelos para tnel de viento:

Material: DirectMetal 20, Acero Mecanizable

Caractersticas: Bajo tiempo de produccin, revisin de aerodinmica en tnel de viento.

Ayudas a la produccin (utillajes, jigs etc.):

Material: varios, ej. Cobalto Cromo-Molibdeno, Acero mecanizable

Caractersticas: bajo volumen de produccin

Componentes para Aeronutica, automocin o nutica:

Material: Cobalto Cromo-Molibdeno, Acero Inoxidable, Acero mecanizable, Titanio

Caractersticas: Buenas propiedades mecnicas, incluyendo alta resistencia a la fatiga, propiedades de homogeneidad interior.

Rotores, Perfil de ala de hlice, rotor e Inyector de Combustible (EOS Cobalto Cromo-Molibdeno MP1) Fuente: Morris Technology y EOS.

C. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA DE FABRICACIN.

Prototipos y Moldes para bajo volumen de produccin

Material: Bronce DM20

Caractersticas: Suficiente resistencia, facilidad de pulido y re-trabajado.

Insertos y postizos para moldes de inyeccin de polmeros. Fuente EOS website.



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Moldes para altos volmenes de produccin (insertos and componentes)

Material: Acero (EOS MS1)

Caractersticas: Posibilidad de pulido, dureza adecuada.

Moldes

Material: Acero (EOS MS1)

Caractersticas: Resistencia a la fractura por calor.

Molde (1/4) para pelota de golf realizado en DMLS - 1 1/2" alto 1 1/4" Ancho 1" Largo, Capas de 20 micras, Costo US$650

Moldes de Inyeccin de polmeros

Insertos y piezas mviles en DMLS

Fuente: EOS website.

Molde de Inyeccin de polmeros con dos insertos fabricados en DMLS, se observa como uno de ellos est posicionado y otro sobre el molde. Fuente Linear Mold&Engineering(http://www.linearmold.com/dmls_tooling.htm)

D. APLICACIONES DIRECTAS EN EL DISEO DE PRODUCTOS.

Como se ha mencionado previamente, la tecnologa no solamente permite la realizacin de moldes para produccin sino que en s misma es tambin, un sistema productivo, lo que dota a diseadores e ingenieros de una poderosa arma de produccin capaz de fabricar cualquier forma.



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Volkswagen GX3, automvil de concepto presentado en el Saln del Automvil de Los ngeles, cuyo pomo de la palanca de cambios fue realizado mediante DMLS, pues era la nica opcin para lograr el diseo originalmente concebido por el diseador.

En ste tipo de aplicaciones no existen materiales predeterminados como los ms adecuados pues es el diseador quien definir las solicitaciones tanto mecnicas como estticas que sugerirn el material correcto.

Prototipos de cuchillo (mango) y cuchara; montura de gafas (de Linear Mold DMLS empresa prestadora de servicios ), y Abre Botellas escultrico (http://www.bathsheba.com/)

Zapato, diseo de Kerrie Luft, diseador de moda britnico del London College of Fashion que utiliza la tecnologa DMLS utilizando la aleacin de titanio de EOS para el tacn cuya forma lo hace producible slo mediante stas tecnologas. Fuente: www.kerrieluft.com



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E. APLICACIONES EN JOYERA.

Parte de la serie de pendientes ICON, una serie de 100 pendientes de diseo nico de Lionel Theodore Dean

En el rea de la joyera, a medio camino entre el diseo y el arte, las piezas de arte utilizable o portable, aprovechan la capacidad del DMLS para realizar piezas nicas y complejas, pero paradjicamente, repetibles a partir del archivo CAD infinidad de veces.

Pendientes Icon, Juego de anillos de boda, y el proyecto de la famosa joyera Marianne Forrest (Paleolith), que se inspira en los vertebrados prehistricos para crear un reloj de pulsera imposible de realizar a mano dada la precisin que requieren las mltiples piezas que se ensamblan en la columna central. (Fuente EOS y www.marianneforrest.com)

F. APLICACIONES EN EL ARTE Y LA DECORACIN.

En el rea del arte, principalmente en la escultura, la realizacin de piezas antes imposibles o de piezas que sirvan como punto de partida para la creacin personalizada del artista son ahora realizables.

Tambin otorgan a las tcnicas de modelado 3D conceptual y experimental el nivel de arte que, aun estando implcito en muchas ocasiones, es rara vez reconocido, mantenindose en el mbito de lo tcnico. De tal forma, as como en determinado momento el arte pictrico reconoci a la creacin digital como un arte, la escultura comienza a integrar el modelado 3D como parte de sus tcnicas y herramientas.



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Esculturas realizadas mediante Direct Metal Printing (http://www.bathsheba.com/)

Piezas experimentales decorativas y juego de Ajedrez realizadas por empresas prestadoras de servicios de DMLS. Pieza central Trofeo - escultura (EOS website)

8. DEFECTOLOGA.

Estas tecnologas, as como el DMLS, estn aun en etapa de desarrollo, y poseen aun una serie de deficiencias comunes o particulares que en el caso de piezas complejas o con ciertas caractersticas las superan en cuanto a resultados de calidad, ya que las piezas finales presentan geometras deformadas, combadas, agujeros no cilndricos, zonas frgiles, acabados imperfectos, etc., las principales de stas caractersticas que aun no pueden lograrse con calidad total son:

planos suspendidos (necesidad de material de soporte)

ngulos cerrados (defectos en el encuentro de planos)

espesores de pared delgadas (irregularidad de pared, combadura)

geometras crticas, muy pequeas, muy esbeltas, (ausencia de zonas pequeas, fragilidad)

agujeros pasantes o muy pequeos (Efecto de achatamiento de los agujeros (z-bonus))



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Ante stas limitaciones geomtricas, las tecnologas ofrecen diferentes soluciones como trabajar a resoluciones menores (menor espesor de capa), generar material de soporte en las zonas crticas, material que aunque suele aplicarse con una densidad mucho menor, debe ser eliminado al final del proceso por medios generalmente manuales, y al ser metal resulta un proceso complejo.

Si bien resulta complejo encontrar estudios serios sobre la defectologa de piezas creadas por medio de la tecnologa de DMLS, si es posible encontrar sobre tecnologas similares, que como ya se ha mencionado previamente son realmente idnticas en varios casos y es posible extrapolar sus problemas.

Las siguientes imgenes, presentadas en el documento Estudio sobre la fabricacin rpida de piezas complejas de acero inoxidable y titanio, realizado por AIMME en el ao 2006 muestran algunos de los defectos ya sealados, para un mayor detalle en el tema defectologa de stas tcnicas, dicho estudio resulta una excelente fuente inicial de consulta, es posible encontrarlo en http://observatorio.aimme.es/informes/ficha.asp?id=1755.

Prometal, 3DP Printing, ausencia de geometras pequeas MCP, DirectMetal, material de soporte y combadura

Concept Laser LaserCusing , modificacin de geometra Trumpf, Direct Laser Forming, material de soporte,



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SLM LaserCUSING DMF

Desviacin media 0.14 mm 0.16 mm 0.30 mm

Desviacin tpica 0.15 mm 0.18 mm 0.21 mm

Tabla comparativa de desviacin respecto a la medida nominal de las piezas realizadas por los diversos mtodos de fabricacin en el estudio de AIMME, que muestra al SLM de MCP como el ms preciso.

9. CONCLUSIONES, PROYECCIONES DE LA TECNOLOGA

FABRICACIN DE IMPOSIBLES.

Esculturas imposibles, realizadas mediante Direct Metal Printing (http://www.bathsheba.com/)

Luego de la investigacin llevada a cabo para la realizacin de ste documento, y de conocer ms a fondo la tecnologa del DMLS y otras tecnologas de fabricacin por capas, tanto para materiales metlicos como para polmeros, cabe aventurar que las tecnologas de produccin en serie del futuro cercano debern abrir un espacio a stos mtodos, pues resulta innegable su capacidad y aporte al rea.

Si bien aun poseen una serie de limitaciones que algunos mtodos tradicionales, a raz de su larga data y evolucin han podido manejar, es justamente en las reas donde las tecnologas tradicionales no llegan, donde estos mtodos si lo hacen y surgen como solucin a tareas que resultaban imposibles de realizar de otro modo.

La velocidad de produccin aun puede mejorar, sin embargo el paso directo del modelo CAD a la produccin, versus la elaboracin de moldes por ejemplo, equilibra el tiempo total utilizado.



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La generacin de geometras imposibles es por hoy, dominio exclusivo de las tecnologas capa a capa, permitiendo la elaboracin de cavidades interiores, paredes delgadas, circuitos de refrigeracin intrincados y eficientes, geometras diversas, etc., esto deja como nica limitante en la actualidad a la hora de realizar un diseo de piezas o productos, el costo productivo.

Desde el momento en que estas tecnologas logren disminuir sus costos de implementacin de materiales y de utilizacin, sin duda se harn cada vez ms populares y masivas.

DISEAR PARAEL FUTURO.

Prospectivamente, para quienes trabajamos en diseo industrial comienza lentamente a hacerse tambin realidad el Disear para la utilidad como nico criterio a seguir, disminuyendo en importancia el Disear para fabricar o el Disear para ensamblar, al no haber ya restricciones de geometra, y a futuro poder obtener incluso ensambles completos a partir de un archivo de CAD y la maquinaria adecuada.

La quimera de la mquina que fabrique productos completamente armados y terminados, incluso compuestos de varios materiales diversos no parece imposible hoy, existe ya la posibilidad de crear piezas polimricas, y hoy la evolucin de los materiales para Fabricacin aditiva con polmeros es aun ms amplia, que en metales y, como se ha visto en ste documento, la Fabricacin aditiva con metales est en pleno desarrollo. El paso lgico entonces es maquinaria capaz de procesar ambos materiales de forma simultnea, o complementaria a lo menos, generando ensambles multimaterial a partir de un archivo tridimensional realizado en CAD, es decir, productos armados. El concepto De la Idea a la Fabricacin parece entonces una realidad inminente, abriendo campo al diseo de formas ilimitadas que tengan a las personas que usan los productos como nica referencia en cuanto a restricciones y caractersticas que el producto deba tener, abriendo campo a la personalizacin plena.

Sketch furniture de FRONT, http://www.frontdesign.se/news.php. y Diseo de Patrick Jouin, silla en STL (www.patrickjouin.com)

Hoy ya es posible encontrar ste tipo de servicios para mobiliario, sillas o sillones, o productos sencillos, donde el usuario no solamente puede escoger entre modelos preexistentes sino que tambin puede dibujar su propio modelo y verlo construido a escala real en algunas horas.



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Para las empresas que fabrican implicar la desaparicin de stocks, en la medida que aumente la velocidad y calidad de produccin de las mquinas, simplemente los productos guardados, la necesidad de transporte, embalaje, logstica de bodegas y almacenes, etc. tender a la desaparicin pues bastar con poseer el equipo adecuado y los ficheros CAD necesarios, para producir a pedido directo en cualquier parte del mundo.

INFINITAS APLICACIONES.

La existencia del DMLS y afines, capaces de realizar prototipos totalmente funcionales en materiales prcticamente idnticos a los definitivos y con cualquier geometra sera hace apenas algunos aos una utopa en el mundo de la fabricacin, y hoy una realidad, sin embargo el hecho de que no se enclaustren en el mundo de la manufactura industrial y se expandan a la medicina, la joyera, el arte abre posibilidades ilimitadas para su uso actual y futuro.

Cada disciplina puede descubrir aplicaciones tanto para el DMLS como para las tecnologas de Fabricacin capa a capa, aun impensadas, y si bien la medicina y la industria llevan la ventaja, no es difcil encontrar aplicaciones en arquitectura o ingeniera de caminos y puentes, ya no slo a nivel de maquetas, sino de partes y componentes primero, y viviendas o estructuras completas en un futuro no tan lejano, o en Geologa, con representaciones volumtricas de zonas de difcil acceso, slo posibles de escanear o fotografiar desde lejos.

Las imgenes dan cuenta del proyecto Pike Loop (2009-2010, http://www.storefrontnews.org/exhib_dete.php?exID=152), donde un robot construye segn las indicaciones obtenidas desde un archivo CAD, muros que de otro modo seran imposibles, resultando ser un sistema que emula muchos de los principios del rapid manufacturing y que vislumbra lo que podr ser a futuro la construccin de grandes estructuras.

Tambin en investigacin, en reas como la ingeniera qumica las piezas imposibles de fabricar por otros medios prestan servicio como filtros, recipientes con propiedades especiales, o en las ciencias de la biologa donde los modelos aumentados y con extremo nivel de detalles de bacterias, virus, clulas e incluso molculas sirven para el estudio de stas estructuras y su comprensin plena en tres dimensiones, con la posibilidad de montar y desmontar cada componente y manipularlos fsicamente.



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10. BIBLIOGRAFA

DOCUMENTOS ESCRITOS, EN PAPEL Y DIGITALES.

1. Material de Apoyo a los Contenidos Asignatura: Prototipos de Estudio, Documentacin de la asignatura impartida por el autor de ste trabajo en el Master en Tecnologas del Diseo de la Universidad Andrs Bello en Santiago de Chile. Rubn Jacob D. 2007-2009.

2. Catlogo 2008, M3 Linear Modular System. (Documento PDF en www.aitiip.com)

3. Estudio sobre la fabricacin rpida de piezas complejas de acero inoxidable y titanio, informe AIMME, 2006.

4. Diseo y desarrollo de productos. Enfoque multidisciplinario. Ulrich, Kart; Eppinger, Steven, Mxico, Editorial Mc Graw-Hill / Interamericana Ediciones, 2004, 3 ed.

5. 3T RPD DMLS Brochure 2009, (Documento PDF en www.3trpd.co.uk/dmls)

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8. Materiales Metlicos y Plsticos Avanzados para Aplicaciones en Sectores Manufactureros con Elevados Requerimientos (Aeronutico, Biomdico, Competicin, Industria del Molde): Presentacin de Casos de xito, Presentacin PowerPoint Victor Paluze vila, 15 de Octubre 2009.

9. Mtodos de Diseo. Estrategias para el diseo de productos. Cross, Nigel, Mxico, Editorial Limusa, 1999, 1 ed., 190 pginas.

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Trabajo Evaluación Prototipado Rapido - Dmls - Ruben Jacob - Master Cadcamcim

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