Stampaggio a Iniezione e Stampa MJF: quale è meglio per la prototipazione

Introduzione

Dalla sua invenzione alla fine del XIX° secolo e, successivamente, dalla sua applicazione per la produzione in massa da metà degli anni ‘40, lo stampaggio a iniezione è stata una delle tecnologie più utilizzate per la realizzazione in serie di parti. I vantaggi principali consistono in: pezzi replicabili in serie, tempi rapidi di produzione e, su grandissime produzioni, bassi costi per copia.

Dalla fine degli anni ‘80 la stampa 3D a Sinterizzazione Selettiva con Laser (Stampa SLS) ha iniziato ad essere terreno fertile per un’alternativa allo stampaggio ad iniezione, per la soluzione che portava alla realizzazione di forme complesse senza vincoli progettuali.

Ma è con la sua evoluzione nella stampa Multi Jet Fusion (Stampa MJF), perfezionata da HP a partire dal 2016, che la tecnologia di stampa 3D raggiunge il suo massimo potenziale, riuscendo ad abbattere prezzi e tempi di realizzazione.

Ad oggi, quale tecnologia conviene utilizzare per realizzare prototipi oppure piccole o medie serie di un progetto? 

Come funziona lo stampaggio a iniezione?

Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione che si basa sul materiale plastico fuso che viene iniettato all’interno di uno stampo chiuso. Successivamente alla sua solidificazione viene aperto per l’estrazione del pezzo.

Il macchinario utilizzato per lo stampaggio a iniezione si compone di due parti: il gruppo di iniezione e il gruppo di chiusura.

Il gruppo di iniezione si occupa, appunto, di spingere il materiale plastico all’interno dello stampo dopo averlo riscaldato, portandolo dallo stato solido a quello liquido.

Il gruppo di chiusura, invece, ha il compito di tenere sigillato lo stampo contrastando l’alta pressione operata dal gruppo di iniezione durante la colata.

Lo stampo è differente per ogni progetto che si vuole realizzare e, a causa della complessità tecnica e degli skill richiesti per la preparazione la sua realizzazione è molto costosa, nell’ordine di decine (a volte centinaia) di migliaia di dollari. Ovviamente questo costo è facilmente assorbibile su gigantesche produzioni che va ad abbattere il prezzo per singola copia.

Vediamo ora il ciclo di funzionamento dello stampaggio a iniezione.

Qual è il processo dello stampaggio a iniezione?

Il processo di funzionamento dello stampaggio a iniezione si compone di 4 fasi:

• dosatura e liquefazione del materiale plastico da iniettare;
• chiusura dello stampo e iniezione del materiale plastico;
• raffreddamento dello stampo e del materiale plastico al suo interno;
• apertura dello stampo ed estrazione del pezzo stampato.

I pezzi così ottenuti richiedono a volte fasi accessorie come l’asportazione del materiale dagli attacchi di iniezione, la sbavatura, l’esecuzione di fori etc.

Come si realizza uno stampo a iniezione?

Lo stampo che servirà per la creazione in serie dei pezzi solitamente viene realizzato in alluminio o acciaio: esso ha necessità di resistere a un’incredibile pressione per svariati ma non infiniti cicli di utilizzo costantemente ripetuti nel tempo.

Per tale ragione il costo di produzione di questo stampo, di fatto un “negativo” del pezzo che andremo a realizzare, è molto alto: solitamente si muove sulle decine di migliaia di euro, ma, per pezzi complessi, arriva anche a centinaia di migliaia di euro. Naturalmente questo costo è facilmente assorbibile nella realizzazione in serie di migliaia di pezzi identici.

Per cosa si usa lo stampaggio a iniezione?

Lo stampaggio a iniezione viene utilizzato, proprio in virtù dei suoi alti costi di avvio, per progetti già perfezionati e per la realizzazione di grandi serie: la convenienza varia in base alla complessità del prezzo, ma solitamente si preferisce usare lo stampaggio a iniezione per serie superiori alle 10.000 copie.

Per la prototipazione oppure serie piccole e medie, si preferisce utilizzare tecnologie senza costo di avvio come la stampa 3D MJF.

Quali sono i tempi per realizzare prototipi con lo stampaggio a iniezione?

I tempi per realizzare prototipi con lo stampaggio a iniezione sono molto lunghi, anche nell'ordine di molte settimane, divisi in due principali fasi:

• realizzazione dello stampo;
• realizzazione del prototipo.

Solitamente viene sconsigliato di avviare la realizzazione di un prototipo con la stampa ad iniezione proprio a causa dei suoi alti costi di avvio; infatti, questa tecnologia si adatta maggiormente alla realizzazione di grandi serie.

Quali sono i vantaggi dello stampaggio a iniezione?

I vantaggi dello stampaggio a iniezione sono molti e spesso resta la miglior tecnologia di realizzazione dei propri pezzi, alla condizione che si stampi grandi serie. Come abbiamo visto in precedenza, i costi di avvio di una stampa ad iniezione, specialmente per la realizzazione dello stampo sono molto alti, e difficilmente ammortizzabili nella realizzazione di prototipi o piccole medie serie.

Quando parliamo di serie con decine di migliaia di repliche, i vantaggi dello stampaggio a iniezione sono innegabili:

• velocità di produzione una volta realizzato lo stampo;
• bassi costi per singola copia.

Lo stampaggio ad iniezione si porta dietro anche alcuni svantaggi intrinseci alla sua tecnologia: vediamoli nel prossimo paragrafo.

Quali sono gli svantaggi dello stampaggio a iniezione?

Lo stampaggio ad iniezione si porta dietro anche alcuni svantaggi intrinseci alla sua tecnologia.

Il primo svantaggio, che viene sempre citato da tutti, è relativo al costo di avvio del progetto, a causa della realizzazione dello stampo. Esso impatta molto sul progetto, indipendentemente dal numero copie che vengono realizzate: per tale motivo generalmente si consiglia di affidarsi allo stampaggio a iniezioni per serie superiori alle 10.000 copie.

Il secondo principale svantaggio che spesso non viene tenuto in considerazione, riguarda la progettazione e il design del progetto; infatti, lo stampaggio ad iniezione richiede che il pezzo abbia caratteristiche di progettazione specifiche per questa tecnologie e che, in loro assenza, non permetterebbero l’estrazione del pezzo.

A titolo esemplificativo, vediamone un paio di queste caratteristiche progettuali:

• la pienezza delle parti: lo stampaggio ad iniezione necessità che le i pezzi stampati non abbiano zone di eccessivo “riempimento” riempimento di materiale plastico. Ciò è dovuto all’alta temperatura con cui viene sciolto il materiale plastico: quando si raffredda ha una tendenza a contrarsi. Su parti poco spesse e compresse nello stampo, questa restrizione non impatta sulla tolleranza necessaria; su parti spesse o riempite, invece, durante la fase di raffreddamento si creano dei rigonfiamenti. Questa caratteristica richiede una progettazione ad hoc da  parte di uno specialista della stampa ad iniezione cosciente di tutte le risposte del materiale;
• problemi legati all’espulsione: il pezzo una volta solidificato deve essere estratto dallo stampo e per tale ragione il progettista deve prevedere ciò in fase di progettazione. Lo stampaggio a iniezione, ad esempio, richiede angoli stondati e non netti, oppure strutture coniche anzichè cilindriche:  non rispettare queste regole renderebbe ostica l’estrazione.  Spesso, per semplificare la realizzazione del progetto, conviene dividere il pezzo in più parti da assemblare successivamente tra loro: questa scelta ha però come svantaggio l’aumentare del numero di stampi da produrre e il relativo costo di avvio però.

Quanto costa lo stampaggio a iniezione?

Semplice, dipende! il costo dello stampaggio a iniezione dipende da 2 fattori: 

• dalla complessità del pezzo;
• dal numero di copie che si intendono produrre.

Come abbiamo visto sopra, vi sono importanti costi di avvio da sostenere per la realizzazione dello stampo: generalizzando, questi costi si ammortizzano realizzando oltre le 10.000 copie del medesimo oggetto, dopo questa soglia lo stampaggio a iniezione diventa conveniente.

Cos’è e come funziona la stampa MJF?

La Stampa MJF, acronimo di Multi Jet Fusion, sviluppata da HP è un’evoluzione della Stampa 3D di Sinterizzazione Laser SLS esistente già dalla fine degli anni Ottanta.

A partire dalla sua presentazione nel 2016, la Stampa MJF ha fatto passi da giganti rispetto alla sorella maggiore, perfezionandosi al punto da diventare molto più vantaggiosa per tempi di realizzazione e possibilità di gestire pezzi complessi senza la necessità di supporti.

La Stampa Multi Jet Fusion si basa, come la tecnologia SLS, su polveri, ma senza l’utilizzo di un laser. Ogni layer si compone di un primo letto di polvere che viene scaldato in modo uniforme; su esso viene poi depositato un liquido di fusione esclusivamente dove andranno fuse le polveri tra loro ed un liquido di rifinitura viene depositato sui contorni per migliorarne la risoluzione. Infine delle lampade UV fondono la polvere dove è stato depositato il liquido di fusione

Che differenza c’è tra stampa MJF e SLS?

La Stampa MJF si differenzia rispetto alla vecchia Stampa SLS per l’assenza del Laser che caratterizza la seconda tecnologia; la Stampa SLS, difatti, si basa su un potente laser che scioglie le polveri di materiale al suo passaggio andando a cristallizzarle in quello che sarà il manufatto finale. Ciò comporta una maggiore o minore tempo di lavorazione dipendentemente dalla dimensione del manufatto che si va a realizzare, dovuto al passaggio puntiforme del laser.

La Stampa MJF invece, si basa su un reagente liquido che viene passato contemporaneamente su tutto il layer, indipendentemente dalla sua dimensione: ciò porta ad avere tempi di lavorazione standard non legati alla morfologia del progetto, ma alla velocità di lavorazione della macchina. Per tale ragione la Stampa MJF ha potuto notevolmente abbattere i costi e la qualità rispetto alla sorella maggiore SLS.

Quanto costa realizzare un prototipo con la stampa MJF?

Il costo di realizzazione di un prototipo con la Stampa MJF dipende, ovviamente! Al contrario di altre tecnologie però, questo costo dipende da un unico fattore: il volume del pezzo.

La rivoluzione della Stampa MJF, rispetto ad altre tecnologie come la stampa SLS o lo stampaggio a iniezione, risiede nel tempo standard di lavorazione del job, rendendo più semplice calcolarne il costo di produzione finale.

Naturalmente esistono tecnologie più economiche: la stampa FDM, ad esempio, che però ha una resa estetica e meccanica molto più grezza; oppure la tecnologia di stampa SLA, che presenta un’ottima resa estetica, che non riesce però ad eguagliare con altrettanta resa meccanica.

Lo stampaggio ad iniezione, invece, non è indicato per la realizzazione di prototipi, a causa del suo elevato costo di avvio per la realizzazione dello stampo.

Al momento, la Stampa MJF si offre come un’ottima opzione in termini di rapporto tra qualità (estetica e meccanica), prezzo e tempi di realizzazione (3 giorni). Nel caso si voglia fare un confronto di preventivo tra le varie tecnologie con il proprio file, è possibile farlo qui.

Quali sono i vantaggi della Stampa MJF?

La Stampa MJF, come visto sopra, porta innegabili vantaggi: il primo, ereditato dalla Stampa SLS, è l’assenza di supporti che la rende ottima (e unica) per la realizzazione di parti mobili e interdipendenti, cerniere integrate e tutti i progetti altamente complessi con layer di 80 micron di precisione.

A questo si aggiunga il vantaggio, rispetto alle altre stampe 3d come la stampa FDM, di avere un manufatto isotropico, cioè con proprietà meccaniche identiche su tutti e tre gli assi e che eguagliano i pezzi stampati ad iniezione.

Infine, la velocità di produzione, rende questa tecnologia ottima per celeri risposte e go to market potendo realizzare anche medie serie in appena 3 giorni.

Quali sono gli svantaggi della stampa MJF?

Il principale svantaggio della stampa MJF è legato alla finitura estetica, difatti il pezzo di base conserva una finitura ruvida dovuta alle polveri da cui è stato originato. Anche la colorazione naturale non presenta molte opzioni: grigio e nero.

Entrambe queste caratteristiche possono essere risolte tramite una lavorazione successiva attraverso un processo di finitura o verniciatura.

La stampa 3D è più economica dello stampaggio a iniezione?

Dipende, ma neanche troppo: come abbiamo visto sopra lo stampaggio a iniezione a costi di avvio molto alti che lo rendono, generalmente, proibitivo per serie inferiori alle 10.000 copie. Sicuramente non è adatto per una prototipazione rapida, né per i costi, né per i tempi.

Per realizzare prototipi o piccole / medie serie, ormai si preferisce affidarsi alla Stampa MJF che, lascia libertà di progettazione al designer non imponendo vincoli, permette di avere prototipi realizzati in 3 giorni e conserva proprietà meccaniche uguali alla stampa ad iniezione.

Lo stampaggio a iniezione è meglio della Stampa 3D?

Lo stampaggio a iniezione è meglio della Stampa 3D, generalmente, per serie superiori alle 10.000 copie, garantendo bassi costi di produzione e ottime capacità meccaniche.

Se si parla di prototipi 

o serie medio piccole, però l’unica alternativa al momento in competizione per resa finale con lo stampaggio a iniezione è la stampa MJF che permette di avere pezzi altamente complessi, in tempi celeri e con un’ottimo rapporto qualità prezzo.

Conclusioni 

Sopra abbiamo visto come lo stampaggio ad iniezione resta ancora una valida alternativa sul mercato, specialmente quando è possibile ammortizzare i suoi elevati costi iniziali su decine di migliaia di manufatti prodotti.

Se invece si è ancora in fase progettuale o di test del mercato, oppure per progetti customizzati, la Stampa MJF si pone come un’ottima alternativa, permettendo di realizzare pezzi altamente complessi, in tempi celeri e con un’ottima qualità prezzo.

Per comparare autonomamente il costo di un singolo o più pezzi di un manufatto con la stampa MJF o altre tecnologie di Stampa 3D, si può caricare il proprio file qui.