Propiedades de materiales para el desarrollo de productos innovadores.

El estudio de propiedades de los materiales en el ciclo de diseño de los productos es uno de los principales quebraderos de cabeza en los laboratorios de prototipado. Las tecnologías de fabricación aditiva aportan mucho valor a la velocidad de fabricación de prototipos, pero deja en tierra de nadie el estudio de propiedades de materiales necesarios para la fabricación del producto final.

El ciclo de innovación de productos está compuesto por etapas que son inviolables. Entre ellas destacan: diseño de productos, fabricación de prototipos e industrialización del producto final. C

El proceso de diseño permite definir el funcionamiento de piezas y mecanismos. Los mejores programas de diseño de productos permiten asignar material a las piezas para poder calcular la resistencia mecánica previsible. En este proceso se puede fabricar maquetas con materiales baratos, para poder validar geometrías y la viabilidad del diseño.

En el prototipo, se persigue demostrar la funcionalidad del producto a través de un producto físico. Los prototipos se fabrican con métodos de fabricación rápida y es deseable utilizar materiales con propiedades químicas y físicas similares a los que se necesitarán en el producto final.

La industrialización de los productos determina los precios de fabricación y por tanto, el margen del producto. Las propiedades de los materiales deben permitir las funciones clave del producto. Por ejemplo: materiales de grado alimentario, materiales biocompatibles, materiales hipoalergénicos, plásticos reciclados, que a su vez, tienen que ser compatibles con los métodos de fabricación en serie.

Métodos y características de los materiales para maquetas de diseño.

Impresión 3D con FDM: Se utilizan materiales con propiedades químicas y físicas sencillas. Por ejemplo, no es necesario para fabricar una maqueta de producto médico, utilizar materiales con características biocompatibles. El objetivo es validar el funcionamiento y encaje de las piezas.

Materiales de uso común para las maquetas de diseño. Prototipos con impresión 3D.

PLA (Ácido Poliláctico)

Resistencia al Calor: 60-65°C
Agilidad de Impresión: 5 (Muy fácil)
Temperatura de Deformación: 60-65°C
Propiedades Mecánicas: 50-60 MPa
Propiedades Químicas: Biodegradable, baja resistencia a químicos.

ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno)

Resistencia al Calor: 100-110°
Agilidad de Impresión: 3 (Moderada)
Temperatura de Deformación: 95-105°C
Propiedades Mecánicas: 40-50 MPa
Propiedades Químicas: Resistente a químicos, moderada resistencia a solventes.

PETG (Polietileno Tereftalato Modificado con Glicol)

Resistencia al Calor: 70-80°C
Agilidad de Impresión: 4 (Fácil)
Temperatura de Deformación: 70-80°C
Resistencia Mecánicas: 45-55 MPa
Características Químicas: Resistente a químicos y humedad.

TPU (Poliuretano Termoplástico)

Resistencia al Calor: 80-90°C
Agilidad de Impresión: 3 (Moderada)
Temperatura de Deformación: 80-90°C
Propiedades Mecánicas: 30-40 MPa (Flexible)
Características Químicas: Alta resistencia a aceites, grasas y abrasión.

Nylon (Poliamida)

Resistencia al Calor: 120-130°C
Agilidad de Impresión: 2 (Difícil)
Temperatura de Deformación: 110-130°C
Resistencia Mecánica: 70-80 MPa
Propiedades Químicas: Excelente resistencia química y mecánica.

PC (Policarbonato)

Resistencia al Calor: 140-150°C
Agilidad de Impresión: 2 (Difícil)
Temperatura de Deformación: 130-150°C
Resistencia Mecánica: 60-70 MPa
Propiedades Químicas: Alta resistencia química y térmica.

ASA (Acrilonitrilo Estireno Acrilato)

Resistencia al Calor: 100-105°C
Agilidad de Impresión: 3 (Moderada)
Temperatura de Deformación: 95-105°C
Resistencia Mecánica: 40-50 MPa
Características Químicas: Resistente a rayos UV e intemperie.

Compuestos Fibra de Carbono

Resistencia al Calor: Depende del material base (70-150°C)
Agilidad de Impresión: 2-3 (Según base)
Temperatura de Deformación: Similar al material base
Resistencia Mecánica: >70 MPa (Mejoradas por el refuerzo)
Propiedades Químicas: Depende del material base; mejora resistencia y rigidez.

El FDM es un método útil para la fabricación de maquetas y para prototipar. Es recomendable utilizar materiales baratos para las maquetas, ya que no es necesario para validar geometrías y formas, materiales con características químicas especiales o materiales con propiedades químicas singulares.

Precios de materiales para la impresión 3D

PLA (Ácido Poliláctico): $15 – $40
ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno): $20 – $55
PETG (Polietileno Tereftalato Modificado con Glicol): $20 – $40
TPU (Poliuretano Termoplástico): $30 – $80
Nylon (Poliamida): $40 – $100
PC (Policarbonato): $60 – $120
Compuestos (por ejemplo, con fibra de carbono): $70 – $150

Características de materiales para maquetas de diseño y prototipado con SLA.

Resina Estándar

Precio Aproximado: $50 – $100 por litro
Propiedades Mecánicas: Moderada rigidez, frágil bajo carga.
Resistencia al Calor: ~50°C
Aplicaciones: Prototipos visuales, modelos conceptuales.

Resina Flexible

Precio Aproximado: $80 – $120 por litro
Propiedades Mecánicas: Elasticidad, soporta deformaciones repetitivas.
Resistencia al Calor: ~60°C
Aplicaciones: Prototipos de juntas, piezas flexibles o amortiguadores.

Resina de Alta Resistencia

Precio Aproximado: $100 – $150 por litro
Propiedades Mecánicas: Alta resistencia al impacto, duradera.
Resistencia al Calor: ~75°C
Aplicaciones: Piezas funcionales, pruebas mecánicas intensivas.

Resina Transparente

Precio Aproximado: $70 – $120 por litro
Propiedades Mecánicas: Moderada rigidez, frágil bajo carga.
Resistencia al Calor: ~50°C
Aplicaciones: Componentes ópticos, piezas decorativas.

Resina de Alta Temperatura

Precio Aproximado: $150 – $250 por litro
Propiedades Mecánicas: Rígida, soporta temperaturas elevadas.
Resistencia al Calor: ~200°C
Aplicaciones: Moldes, piezas sometidas a calor extremo.

Resina Dental/Materiales Biomédicos

Precio Aproximado: $200 – $300 por litro
Propiedades Mecánicas: Biocompatibilidad, esterilizables.
Resistencia al Calor: ~70°C
Aplicaciones: Prótesis dentales, aplicaciones médicas.

Resina Fundible

Precio Aproximado: $100 – $180 por litro
Propiedades Mecánicas: Moderada rigidez, se quema sin dejar residuos.
Resistencia al Calor: ~50°C
Aplicaciones: Fundición de joyería y piezas metálicas.

Material: Resina Técnica

Precio Aproximado: $100 – $200 por litro
Propiedades Mecánicas: Resistencia a impactos, flexión y fatiga.
Resistencia al Calor: ~100°C
Aplicaciones: Piezas funcionales de uso intensivo.

Así como en el caso de la fabricación rápida de productos con FDM, en el caso de la impresión 3D con SLA, es fundamental utilizar las resinas fotosensibles más baratas para la fabricación de piezas y maquetas visuales. En cambio, el uso de resinas técnicas, con características químicas y físicas complejas, son una alternativa muy adecuada para la fabricación de prototipos funcionales.

Métodos de fabricación de prototipos. Compatibilidad de materiales.

Con las maquetas se buscan validaciones geométricas básicas. No es necesario elegir materiales con propiedades especiales para cumplir con determinadas funciones. En cambio, con los prototipos funcionales se pretende demostrar la funcionalidad integral de un producto. Por esta razón, está justificado el uso de materiales especiales y métodos de fabricación que permitan resultados visuales muy decentes, así como características mecánicas de alta resistencia.

Moldes de Vacío: Fabricación de moldes maestros para obtener partes y piezas de los prototipos. Se utilizan materiales como el Poliuretano y la Silicona. Para la fabricación de estos moldes, se utilizan formas que habitualmente se obtienen con impresión 3D, luego se realizan tomas negativas con técnicas de vacío que permiten la obtención de los moldes maestros. Este procedimiento es muy útil para pre-series de prototipo así como para fusionar materiales en zonas complejas del prototipo.

Mecanizado CNC: Procedimiento de corte mediante máquinas computarizadas, es posible fabricar piezas y prototipos con materiales complejos, tales como: Aluminio, aceros, ABS y Poliacetal. Se trata de un procedimiento y materiales muy caros, por tanto, es un procedimiento que se reserva para prototipos de alta precisión.

Moldeo para fundición de resina: Para utilizar materiales con características químicas especiales, en el caso de piezas con geometrías complejas, es recomendable y frecuente, el uso de moldeo artesanal para conseguir la fundición con resinas. Esta técnica permite aprovechar la gran disponibilidad de materiales en resinas fotosensibles. Por ejemplo, con este tipo de métodos trabajamos prototipos que requieren grado alimentario, piezas con propiedades hipoalergénicas, así como partes de prototipos que requieren algún grado de biocompatibilidad.

Compatibilidad y transición de métodos de fabricación. Del prototipo a la industrialización.

La desconexión entre los métodos para fabricar prototipos y métodos industriales que permiten la producción en serie, supone un auténtico reto. No prever estas conexiones de forma rigurosa en el prototipado puede representar un reto adicional en el proceso de industrialización.

A continuación, hemos preparado un breve resumen de compatibilidad entre métodos de prototipado y métodos utilizados en fábricas industriales, relacionando tal coherencia con los materiales que tienen propiedades óptimas para ser utilizados en estos procesos.

Método Prototipado	Proceso Industrial Compatible	Material Industrial Compatible
Impresión 3D (FDM)	Moldeo por inyección	PP, PE, PC-ABS, Nylon 6, Nylon 12
Impresión 3D (SLA)	Moldeo por inyección, fundición de precisión	Policarbonato, PMMA, Nylon, Metales
Moldes de Vacío	Moldeo por inyección (con moldes de metal o plástico)	Polipropileno, Polietileno, PVC
Mecanizado CNC	Producción CNC, fundición o extrusión	Aleaciones de aluminio, Aceros inoxidables
Fundición a Mano (Resinas)	Moldeo por inyección o fundición con termoendurecibles	Termoendurecibles como epoxi industrial

Propiedades químicas de los materiales útiles para fabricar productos especiales.

Los materiales tienen propiedades químicas y físicas que les convierten en los apropiados o no para según qué tipo de productos innovadores. La elección de los tipos de materiales tiene mucho que ver con los requisitos funcionales de cada producto, y estas propiedades singulares deben preverse desde el estudio de materiales idóneos en el proyecto de ingeniería básica, aunque se fabriquen maquetas y prototipos que no cumplan con estas características.

Los requisitos funcionales de un producto, definen los “Qué” de un producto y no los “Cómo”. Cuando hablamos de requisitos funcionales de un invento, nos referimos a la lista de funciones que sí o sí tiene que cumplir el producto, y no a los métodos o técnicas complejas que permiten alcanzar tales objetivos.

Una vez definidos los requisitos funcionales, es clave identificar qué materiales están asociados a cada parte y pieza del producto y cuáles son las propiedades de los materiales idóneos según tales requisitos.

Según nuestra experiencia en más de 300 prototipos fabricados, nos hemos encontrado características especiales en el proceso de diseño de productos y prototipado que nos han llevado a este breve resumen sobre: materiales frecuentes en el proceso de prototipado para responder a necesidades como: fabricar piezas y prototipos con grado alimentario, fabricar piezas de plástico resistentes al calor, fabricar prototipos médicos o prototipos de máquinas de hostelería que han exigido ciertos grados de biocompatibilidad, fabricación de prototipos de juguetes y juguetes sexuales con materiales con propiedades hipoalergénicas y materiales con propiedades biocompatibles, o prototipos que serían sometidos a determinadas certificaciones, donde las propiedades químicas de los material son fundamentales.

Material Prototipado	Uso Alimentario	Resistencia Alta al Calor	Biocompatibilidad	Regulaciones/Requisitos
PLA, ABS, PETG, TPU, Nylon, PC	PETG, PP, PE	PC, Nylon, ABS	Nylon, TPU (certificado)	Certificaciones FDA (para uso alimentario o médico)
Resinas estándar, técnicas, de alta temperatura	PMMA, Policarbonato (con certificación)	Resinas de alta temperatura	Resinas biomédicas y dentales	ISO 10993 para biocompatibilidad
Poliuretano, Silicona	Silicona de grado alimenticio	Silicona termoendurecible	Silicona médica	Grado alimenticio o médico según aplicación
Aluminio, Aceros, ABS, Poliacetal	Aluminio de grado alimenticio	Aceros de alta resistencia, Aluminio	Aluminio anodizado, Aceros quirúrgicos	Certificaciones ISO para precisión industrial
Resinas epoxi, Poliuretano	No recomendado	Epoxi termoendurecible	Epoxi biocompatible	Normativas de seguridad química y térmica

Productos que requieren materiales con propiedades especiales.

Es fácil identificar desde el proyecto de ingeniería básica las partes y piezas de un producto que deben ser fabricadas con materiales con propiedades especiales. A continuación algunos ejemplos que hemos trabajado en Let´s Prototype y que han representado un gran reto en materia de decisiones sobre materiales idóneos para cada etapa.

1. Transformar productos plásticos de un solo uso en productos reutilizables.

Existen varios argumentos para pensar que es una prioridad transformar productos de plástico de un solo uso, por productos con varios ciclos de uso. Entre ellos, destacan:

Las empresas necesitan mostrar su compromiso con el medio ambiente.
El uso de plásticos de un solo uso supondrá impuestos muy significativos.
Las ayudas económicas y subvenciones se reservan para productos con materiales responsables con el medio ambiente.

Por ejemplo, en el sector de salud, muchos productos de plásticos no pueden reutilizarse por no soportar las temperaturas y condiciones que se generan dentro de una máquina autoclave para la esterilización. Donde se enfrentan a vapor de agua y temperaturas que superan los 130 Cº, lo que exige uso de plásticos con propiedades termorresistentes.

De la misma forma, hemos fabricado prototipos de robots para restaurantes y cocinas industriales, lo que ha exigido el diseño y fabricación de partes y piezas con necesidad de uso alimentario, pero también, con necesidad de ser higienizado en máquinas, lavavajillas y otros similares que, como denominador común, trabajan a altas temperaturas. Prototipar piezas con estas características, ha motivado el crecimiento de Let´s Prototype como empresa de diseño y estudios paralelos de materiales idóneos con propiedades adecuadas para cada proyecto.

2. Productos con resistencia mecánica especial y métodos de prototipado compatibles.

Sectores como el diseño y fabricación de prótesis, la fabricación de prototipos de herramientas industriales, piezas para la industria aeronáutica, son algunos ejemplos de sectores con mucha frecuencia, requieren desarrollos de prototipos innovadores con características de máxima resistencia desde las primeras etapas del desarrollo.

Los prototipos funcionales con necesidad de materiales con propiedades mecánicas de gran resistencia, son compatibles con métodos de prototipado y materiales como:

Impresión 3D (FDM)

Material Prototipado: Nylon.

Material Industrial Compatible: Nylon 6, Nylon 12.
Propiedades Mecánicas Clave: Alta resistencia mecánica y química.

Material Prototipado: TPU.

Material Industrial Compatible: Elastómeros termoplásticos (TPU industriales).
Propiedades Mecánicas Clave: Elasticidad, resistencia a abrasión y tensión.

Impresión 3D (SLA)

Material Prototipado: Resinas técnicas.

Material Industrial Compatible: Policarbonato, PMMA, Nylon.
Propiedades Mecánicas Clave: Alta rigidez y resistencia a impactos.

Mecanizado CNC

Material Prototipado: Aluminio.

Material Industrial Compatible: Aleaciones de aluminio (6061, 7075).
Propiedades Mecánicas Clave: Ligereza y resistencia estructural.

Material Prototipado: Aceros.

Material Industrial Compatible: Aceros de alta resistencia (AISI 4140, AISI 1045).
Propiedades Mecánicas Clave: Extrema dureza y resistencia a cargas cíclicas.

Moldes de Vacío

Material Prototipado: Poliuretano.

Material Industrial Compatible: Termoplásticos como PP, PE, PVC.
Propiedades Mecánicas Clave: Resistencia a la deformación y uso continuo.

Fundición a Mano

Material Prototipado: Epoxi termoendurecible.

Material Industrial Compatible: Epoxis industriales termoendurecibles.
Propiedades Mecánicas Clave: Resistencia al calor y alta dureza.

3. Necesidad de materiales con propiedades biocompatibles para crear productos.

La mayoría de productos médicos innovadores requieren desde la primera etapa, el uso de materiales con propiedades biocompatibles.

Materiales biocompatibles: Cuando hablamos de materiales con propiedades biocompatibles, nos referimos a materiales cuyas propiedades químicas permiten cumplir con normativas que garantizan la seguridad de estas superficies. Los materiales biocompatibles están compuestos por propiedades químicas que minimizan el rechazo del organismo. Estos materiales tienen 3 características fundamentales:

Inercia Química: Se refiere a su capacidad de evitar el uso de elementos tóxicos en su composición.
Estabilidad: Hace referencia a la estabilidad biológica en la composición de los materiales, permitiendo con esta característica, evitar la corrosión.
Compatibilidad: Se refiere a la propiedad de integrarse o bien imitar tejidos totalmente naturales.

Por supuesto, el sector médico y las empresas de innovación para el sector de la salud en general, son altamente demandantes de este tipo de materiales. Lo cierto es que hay avances muy significativos en la democratización de materiales biocompatibles para procesos de fabricación industrial. También existen avances importantes en los materiales biocompatibles para prototipos, compatibles con los métodos habituales en esta etapa de diseño y validación de productos innovadores para el sector de la salud.

Materiales biocompatibles disponibles para el prototipado.

Polímeros Biocompatibles

Nylon (Poliamida):

Composición: Repetición de grupos amida (-CONH-) en su estructura.
Uso: Implantes temporales, dispositivos médicos.

TPU (Poliuretano Termoplástico):

Composición: Grupos uretano (-NHCOO-) en una estructura de elastómero.
Uso: Prótesis flexibles, catéteres, dispositivos en contacto con piel.

PEEK (Polieteretercetona):

Composición: Polímero aromático con enlaces de éter y cetona.
Uso: Implantes permanentes, piezas ortopédicas.

Silicona:

Composición: Polímeros de polisiloxano (-Si-O-Si-) con grupos metilo o vinilo.
Uso: Prótesis, catéteres, dispositivos médicos de contacto con tejidos.

Metales Biocompatibles útiles para el desarrollo de productos médicos.

Titanio (Ti):

Composición: Metal puro o en aleaciones con aluminio y vanadio (Ti-6Al-4V).
Uso: Implantes óseos, dentales y marcapasos.

Acero Inoxidable (316L):

Composición: Aleación de hierro (Fe), níquel (Ni), cromo (Cr) y molibdeno (Mo).
Uso: Instrumentos quirúrgicos, implantes temporales.

Aleaciones de Cobalto-Cromo (Co-Cr):

Composición: Mezcla de cobalto, cromo y trazas de molibdeno.
Uso: Prótesis articulares, stents vasculares.

Resinas y Adhesivos con propiedades biocompatibles para el diseño de productos médicos y prototipado.

Resinas Epoxi:

Composición: Grupos epóxido (-C(O)C(O)-) con endurecedores biocompatibles.
Uso: Prótesis personalizadas, componentes médicos temporales.

Resinas Fotopoliméricas (SLA):

Composición: Acrilatos o metacrilatos activados por luz UV.
Uso: Prótesis dentales, alineadores

Necesidad de fabricar piezas con grado alimentario para el prototipo.

Los materiales con propiedades de grado alimentario, son aquellos que al permanecer en contacto con los alimentos, no transfieren sustancias tóxicas al alimento o transforman las propiedades del mismo. Tanto las normas en Estados Unidos como las Europeas, son cada vez más restrictivas en esta materia de cara a los materiales que pueden utilizarse para gestionar alimentos.

Como en el caso de los materiales biocompatibles, los materiales de uso alimentario, suelen deformarse a altas temperaturas, por lo que son muy frecuentes en los procesos industriales, como el moldeo con acero. En cambio, las opciones de materiales con propiedades compatibles con el grado alimentario, son mucho más limitadas para la fabricación con métodos de prototipado.

A continuación, un resumen de los materiales de uso común, con grado alimentario, en el proceso de prototipado:

Impresión 3D por FDM con materiales compatibles con grado alimentario.PETG (Polietileno Tereftalato Modificado con Glicol): Se trata de uno de los materiales más comunes en la impresión 3D y por tanto en procesos de fabricación de maquetas de inventos y prototipos funcionales. Entre sus propiedades destaca la resistencia a la humedad y la estabilidad química, propiedades que garantizan su seguridad al interactuar con alimentos. En nuestro estudio de diseño de productos, lo usamos con frecuencia para prototipos de envases reutilizables así como prototipos de utensilios para la cocina. Un detalle importante, es que no todos los PETG tienen propiedades compatibles con el uso alimentario, es recomendable siempre solicitar este certificado al proveedor del material.

PLA (Ácido Poliláctico): El PLA es otro de los materiales más frecuentes en la impresión 3D. Su precio permite ser utilizado para las primeras maquetas en el diseño de productos innovadores. Entre sus propiedades destaca la capacidad biodegradable, condición que a su vez añade un punto relevante en materia de sostenibilidad. Nuestro equipo de diseño industrial utiliza el PLA para fabricar prototipos de utensilios desechables y packaging sostenibles. Como limitación importante, destacamos que el PLA se deforma a bajas temperaturas, no es demasiado resistente al calor. Por tanto, en prototipos que van a interactuar con alimentos muy calientes, es poco recomendable.

Nylon (Poliamida) Grado Alimentario: El uso del Nylon en la impresión 3D no es tan frecuente como el PETG y el PLA. Esta diferencia está relacionada con las características de las impresoras 3D democratizadas en el mercado. Las empresas de desarrollo de producto, suelen tener máquinas de impresión 3D profesionales, capaces de trabajar a mayores temperaturas, lo que permite el uso del Nylon para fabricar prototipos y piezas que requieran mayor resistencia mecánica, mejores propiedades químicas y sobre todo, mayor resistencia térmica.

Uso de moldes de vacío para trabajar materiales de uso alimentario.

Como ya conoces, en el proceso de creación de prototipos, es muy frecuente el uso de moldes de vacío, construidos a partir de piezas que pueden conseguirse a través de la impresión 3D. Estos moldes no resisten demasiado el calor, mucho menos que los moldes industriales. En cambio, para obtener piezas de prototipos que cumplan con las propiedades necesarias para obtener grado alimentario, son más que suficientes.

En nuestro laboratorio de diseño industrial en Madrid, utilizamos este método para crear prototipos que requieran juntas, rodillos o cualquier pieza que interactúe con alimentos.

En combinación con el método de fabricación con moldes de vacío, usamos materiales como:

Silicona de uso alimentario: Además de las propiedades químicas que garantizan su estabilidad en el contacto con alimentos, aporta flexibilidad y resistencia a altas temperaturas. Los resultados de estas piezas prototipadas de grado alimentario, son muy similares a los que conoces como moldes para repostería.

Poliuretano de grado alimentario: El poliuretano cumple perfectamente con las propiedades necesarias para ser utilizados en este sistema de moldes fríos para la fabricación de piezas y prototipos. Además de contar con gran estabilidad en sus propiedades químicas, destaca por su resistencia mecánica y térmica. Por ejemplo, lo hemos utilizado con frecuencia para la fabricación de piezas que interactúan con los alimentos en prototipos de máquinas que requieren el uso alimentario. Prototipos de máquinas para elaborar Sushi, Prototipos de máquinas de zumo de naranja con sistema de autolimpieza, Prototipos de máquinas para elaborar hamburguesas, son algunos de los ejemplos prácticos en los que hemos utilizado este método de fabricación en combinación con el Poliuretano.

Uso de resinas fotopoliméricas compatibles con la impresión 3D y grado alimentario: The resinas fotopoliméricas o resinas fotosensibles, son aquellas que se utilizan con frecuencia para la fabricación 3D de piezas con el método SLA. A través de la exposición a la luz, se van conformando piezas que, por las propiedades químicas de estos materiales, mantienen su compatibilidad con el grado alimentario tras ser curadas. Es cierto que el uso de estas resinas para piezas que requieren certificaciones, aun es muy limitado.