Aplicación de la ingeniería inversa en el desarrollo de un molde de inyección de plástico
Proceso integrado de desarrollo de nuevos productos en base a ingeniería inversa del diseño, impresión 3D de moldes y fabricación por inyección de plástico

Este trabajo presenta un innovador proceso de producción consistente en un flujo de trabajo integrado desde el diseño a la fabricación final de productos en un único espacio. Este lugar es el laboratorio de Fabricación de la Escuela Superior de Ingenieros ICAI que actúa como destinatario del proyecto.

En aras de una mayor concreción, este proceso se va a aplicar a la creación de un particular objeto: “gatillo-disparador” de mando de Play Station 4, mostrando así toda la disposición desde su diseño inicial hasta su fabricación final. En la elección del producto, se ha buscado uno de cierta complejidad y con gran capacidad de adaptación como es el caso de este gatillo-disparador que permite la personalización por los jugadores más profesionales de los videojuegos, buscando con ello un rendimiento funcional especial a la vez que cierta estética.

Pero el objetivo principal de este trabajo no se centra en el producto en sí, sino en el propio proceso y las metodologías empleadas para su desarrollo. Por ello, se propone integrar tres metodologías que son la Ingeniería Inversa para el diseño, la Impresión 3D de moldes, y finalmente la fabricación por Inyección de Plástico. Esta combinación es lo que da lugar al objetivo de proceso integrado de las tres tecnologías cuyo acrónimo es 3iD con una i por cada una de las tecnologías de ingeniería-inversa, impresión 3D e inyección de plástico resultando 3i a lo que se añade la letra D de digitalización.

Un proceso integrado y autónomo de estas características ha demostrado ser de gran importancia no sólo como ejercicio y reto académico sino también para circunstancias que requieran de fabricación rápida de prototipos y herramientas (rapid prototyping y rapid tooling), personalización y flexibilidad de producción del objeto para adaptarlo a las necesidades particulares y de economía en la producción que lo hagan asequible a su clientela potencial. Características que demanda en la actualidad la nueva Industria 4.0 donde cada vez se requiere más piezas únicas, innovación cerrada y desarrollo de patentes entre otras -y como no- para emergencias sociales donde se interrumpe la cadena externa de suministro como hemos podido vivir recientemente.

Por tanto, este proceso 3iD resulta ser la solución óptima en aquellos sectores innovadores de alta competitividad por continuas innovaciones (como el automóvil o la electrónica), con necesidad de disponibilidad de piezas especiales (aeronáutica) y de alta adaptación de productos (como en salud y medicina).

Se ha comprobado, que el desarrollo del proceso 3iD y su aplicación al objeto en cuestión (gatillo-disparador) no es tarea fácil pues se trata de validar un proceso integrado por otros muchos, en suma “un proceso de procesos” que puede escalonarse en seis etapas de las que en cinco se ha llegado a validar la consecución del objetivo final quedando la última de ellas pendiente de unos ajustes que se llevarán a cabo como primera futura línea de investigación.

De estas seis etapas, las cuatro primeras corresponden a la metodología de ingeniería inversa y dos más, la quinta y sexta, a la impresión 3D e inyección de plástico respectivamente. Éstas, como se muestra en la figura a continuación han sido: Una primera etapa donde Solid Edge se ha presentado como una solución CAD muy poderosa para la ingeniería Inversa en el diseño y parametrización de la figura objeto de estudio en 3D. Una segunda etapa en la que la herramienta Geomagic se ha mostrado muy eficaz en el depurado del mallado a la vez que ha presentado una perfecta integración con Solid Edge haciendo también de nexo con Meshroom. La validación de esta triple integración ha sido una de las principales contribuciones de este trabajo. En la tercera etapa, Meshroom generó aceptablemente la nube de puntos y mallado posterior a partir de los datos de las fotografías. Durante la cuarta etapa, la cámara de Smartphone resultó ser suficiente para la generación de la fotogrametría en 3D a la que hubo que añadir un trípode y mesa giratoria para facilitar las tomas con una más que aceptable relación coste-calidad en comparación con otras alternativas como el láser de luz estructurada.En la quinta etapa, es donde se lleva a cabo la parte central de todo el proceso con la impresión en 3D del molde que resultó exitosa y efectiva en cuanto a flexibilidad, rapidez y coste. Lo que permitió diversos ensayos en impresoras tipo SLA y SLS buscando la mejor solución que resultó ser la primera. Se pudo comprobar la rapidez, así como validar la flexibilidad de diseño para la impresión en 3D con simples cambios en los valores de parametrización de los objetos previamente diseñados en 3D con el software de Solid Edge. Finalmente, en la sexta epata, el moldeado por inyección de plástico de la pieza no fue posible de llevarse a cabo al fraccionarse el molde bien fruto de una falta de resistencia o bien por la complejidad de la pieza.

Para concluir con este resumen, se ha de reseñar que el hecho de dar la calidad de “autónomo” a todo el proceso al proponer fabricarse todo en el mismo lugar lo convierten en una solución vital para las empresas en su desarrollo de nuevas tecnologías y patentes donde el secretismo es absolutamente necesario , así como en entornos de emergencia social y de ruptura de la cadena logística. Por ello, se plantea el dar un último paso hacia una integración total del proceso por medio de lo que se ha denominado “flujo 360 de proceso de producción totalmente integrado” fruto de una investigación anterior del autor, aplicando un sistema de ensamblaje que elimina los tornillos y las roscas, inspirado en las Juntas Japonesas de Carpintería con la tecnología DJJ , reduciendo la dependencia con los proveedores de herramientas.

This work presents an innovative production process consisting of an integrated workflow from design to final product manufacturing in a single space. This place is the manufacturing laboratory of the ICAI School of Engineering, which acts as the recipient of the project.

For the sake of a greater comprehension, this process will be applied to the creation of a particular object: a "trigger" of Play Station 4 controller, thus showing the entire layout from its initial design to its final manufacture. In the choice of the product, it has been sought one of a certain complexity and with great adaptability as is the case of this trigger that allows customization by the most professional video game players, looking for a special functional performance as well as a certain aesthetics.

But the main objective of this work is not focused on the product itself, but on the process itself and the methodologies used for its development. To that end, it is proposed to integrate three methodologies which are Reverse Engineering for the design, 3D Printing of molds, and finally Plastic Injection molding. This combination is what gives rise to the integrated process objective of the three technologies whose acronym is 3iD with an i for each of the technologies in Spanish Ingeniería-inversa, Impresión 3D and Inyección de plástico and adding a final D letter D.

An integrated and autonomous process such as this has proven to be of great value not only as an academic challenge but also under circumstances that require rapid prototyping and rapid tooling along with customization and production flexibility of the object to adapt it to the particular needs meeting the cost requirements in production that make it affordable to its potential customers. Characteristics that are currently demanded by the new Industry 4.0 where more and more customized parts, closed innovation and patent development among others are a trend- and why not - in social emergencies where the external supply chain is broken as we have recently experienced.

Therefore, this 3iD process turns out to be the optimal solution in those innovative sectors with high competitiveness due to continuous innovations (such as automotive or electronics), with the need for availability of special parts (aeronautics) and high product adaptation (such as health and medicine).

It has been proven that the development of the 3iD process and its application to the object of study (trigger) is not an easy task since it involves validating a process integrated by many others, in short "a process of processes" that can be divided into six stages, five of which have been validated to attain the final objective, with the last stage awaiting refinement, which will be pursued as the next priority line of investigation.

Out of these six stages, the first four correspond to the reverse engineering methodology and two more, the fifth and sixth, to 3D printing and plastic injection respectively. These, as shown in the figure below, have been: A first stage where Solid Edge appeared as a very powerful CAD solution for reverse engineering in the design and parameterization of the object of study in 3D. A second stage in which the Geomagic tool has proved to be very effective in the meshing debugging while it has presented a seamless integration with Solid Edge, also acting as a nexus with Meshroom. Is in the validation of this triple integration where it lies the main contribution of this work. In the third stage, Meshroom acceptably generated the point cloud and subsequent meshing using the photo data. During the fourth stage, the Smartphone camera proved to be sufficient for the generation of the 3D photogrammetry to which a tripod and turntable had to be added to facilitate the shots with a cost-quality ratio more than acceptable compared to other alternatives such as the structured light laser.
The fifth stage is where the central part of the whole process is undertaken with the 3D printing of the mold, which proved to be successful and effective in terms of flexibility, speed and cost. This allowed several tests in SLA and SLS printers looking for the best solution, which turned out to be the first one. It was possible to check the quickness, as well as to validate the design flexibility for 3D printing with simple changes in the parameterization values of the objects previously designed in 3D with Solid Edge software. Finally, in the sixth stage, the plastic injection molding of the part could not be accomplished because the mold fragmented either due to a lack of strength or due to the complexity of the part.

To bring this summary to a close, it should be pointed out the fact of making the whole process "autonomous" by proposing to manufacture everything in the same place makes it a crucial solution for companies in their pursue of new technologies and patents where secrecy is necessary , as well as in environments of social emergency and interruption of the logistics chain. Therefore, it is proposed to take a final step towards a total integration of the process through what has been called "360 flow fully integrated production process" result of the author's previous research, applying an assembly system that eliminates screws and threads, inspired by the Japanese Joinery Joints with DJJ technology, reducing dependence on tooling suppliers.