Guida alla Prototipazione Rapida: Metodi, Vantaggi e Applicazioni

Introduzione

Con l'avvento di nuove tecnologie come la Stampa 3D si è rivoluzionato il processo di Prototipazione e Sviluppo di tutte le aziende: è nata così quella che oggi viene chiamata Prototipazione Rapida.

La necessità di accorciare la fase di sviluppo di un prodotto per anticipare il rilascio della produzione nel mercato ha spinto le aziende verso manifatture additive che permettevano di avere prototipi funzionali in pochissimo tempo: oggi, con le attuali tecnologie, si tratta in media di 3-7 giorni.

In questa guida è raccolto tutto quello che c'è da sapere relativamente alla Prototipazione Rapida: tecnologie adoperate, vantaggi e svantaggi, tempi di produzione e costi.

Cosa vuol dire prototipazione?

La prototipazione è una fase della progettazione in cui viene realizzato un modello che permetta al disegnatore di valutare la propria idea dal punto di vista concettuale ma anche funzionale e tecnico.

Il prototipo è il primo esemplare di un oggetto su cui effettuare test e modifiche prima di procedere alla produzione in serie.

Cos’è la prototipazione rapida?

Per prototipazione rapida si intendono una serie di tecnologie industriali che hanno lo scopo di realizzare un prototipo a partire da un modello tridimensionale digitale (file CAD).

Sostituisce la produzione artigianale del prototipo, una volta affidata alla modellazione con tecniche tradizionali.

Solitamente sono tecnologie additive, ovvero partono da della materia in forma base (polvere, filamento o resina) per ottenere parti complesse che sarebbe impossibile ottenere con tecniche tradizionali per asportazione da un blocco unico di materiale.

Il vantaggio chiave per il quale la prototipazione rapida è diventata uno standard di mercato risiede nella riduzione dei tempi necessari per la realizzazione del prototipo: in media si passa dai 60-75 giorni ai 3-7 giorni per la realizzazione e la consegna. Tale riduzione di tempistiche porta a tempi di go to market nettamente minori riducendo drasticamente i mancati profitti.

A cosa serve la prototipazione rapida?

La prototipazione rapida serve a ridurre i costi e i tempi di sviluppo di un nuovo prodotto e a testare il risultato finale, permettendo al designer di intervenire celermente con correzioni o modifiche che miglioreranno il prodotto. In questa maniera si può posizionare in maniera più veloce ed efficiente un nuovo modello sul mercato.

Come viene utilizzata la prototipazione rapida?

La prototipazione rapida è utilizzata trasversalmente in tutti i principali ambiti industriali, dalla settore meccanico a quello dell’automotive, dal settore dell’occhialeria a quello medicale.

Questo processo può essere inserito in diverse fasi del ciclo produttivo: si può utilizzare in una fase di prima progettazione, durante i test con gli utenti, per presentazioni ed eventi fieristici, durante i test di produzione.

Quali sono le fasi del ciclo della Prototipazione Rapida?

• Preparazione del file 3D, solitamente in formato STL a partire da un modello CAD preparato dal progettista oppure tramite reverse engineering, cioè andando a creare un modello a partire da un pezzo già realizzato, magari con l’ausilio di scanner 3D;
• Gestione del modello 3D, con la riparazione della mesh, orientamento del pezzo, preparazione del piatto stampa (nesting) e dei layer di stampa (slicing);
• Stampa del prototipo strato per strato a seconda della differente tecnologia adoperata;
• Fase di Post Processing, ovvero la finitura del pezzo, tramite rimozione di supporti o materiale in eccesso e il miglioramento delle superfici tramite sabbiatura o tintura per rendere il prodotto finale il più simile possibile al desiderato.

Quali vantaggi offre la manifattura additiva come la Stampa FDM e Stampa SLA?

Il principale vantaggio offerto dalla tecnologie FDM è l’ampia gamma di materiali con proprietà meccaniche eccellenti, come PEEK o materiali rinforzati al Carbonio che possono replicare materiali simili di produzione. I principali limiti sono dati dai layer che sono molto visibili e dalla non impermeabilità delle parti.

La stampa SLA, invece, offre parti molto definite con una resa estetica elevatissima ed una superficie liscia ed impermeabile; di contro, le resine risultano non resistenti ad uno sforzo meccanico. Infine, i pezzi realizzati con tecnologia SLA, richiedono l’asportazione dei supporti creati per la realizzazione.

Quali vantaggi offre la manifattura additiva con la Stampa MJF?

Le parti realizzate con tecnologia Multi Jet Fusion (MJF) hanno ottime caratteristiche sia estetiche che funzionali, garantiscono proprietà meccaniche molto vicine a quelle dei particolari realizzati tramite stampaggio a iniezione e anche una finitura omogenea e gradevole; inoltre non necessitano di supporti e sono isotrope.

La tecnologia MJF replica innumerevoli materiali dello stampaggio ad iniezione come PA12, PA11, PP o PA12 caricato vetro.

Quali sono i limiti della Prototipazione Rapida?

I principali limiti della prototipazione rapida sono dati dai costi per produzioni sopra i 1000 pezzi, dove convengono tecniche tradizionali, e dalla gamma di finiture e materiali ancora non ampissima.

Quali sono le regole per creare un ottimo prototipo?

• Verifica del File 3D: verificare che il mesh del modello sia chiuso e realizzato in modo corretto;
• Verifica degli Spessori: verificare gli spessori siano, nel loro punto di minor larghezza, superiori ad 1 mm;
• Verifica delle Tolleranze: verificare che le tolleranze del materiale e della tecnologia che si sono scelti per la produzione, siano compatibili con le necessità del progetto;
• Warpage: prestare attenzione ad evitare parti piane senza rinforzi che possono deformarsi.

Come ridurre i costi della prototipazione rapida?

I fattori che concorrono al prezzo della prototipazione rapida sono il volume del materiale, il tempo macchina e lo spazio occupato nel piatto di stampa.

Per ridurre questi valori si possono diminuire gli spessori fino ad un paio di millimetri, svuotare le superfici piene avendo cura di lasciare dei fori per la fuoriuscita del materiale di supporto e ridurre le dimensioni dell’oggetto al massimo.

Conclusioni 

Abbiamo visto come la Prototipazione Rapida ha rappresentato la più grande innovazione degli ultimi anni nei reparti di Ricerca e Sviluppo: permette di progettare, testare, analizzare e ottimizzare in un ciclo continuo rapido, diminuendo cosi i tempi di go to market e con prodotti maggiormente testati e ottimizzati.

Le tecnologie che hanno permesso la nascita del concetto della Prototipazione Rapida sono ancora in sviluppo e migliorano anno dopo anno: basti pensare che solo nel 2015, la rivoluzionaria Stampa MJF non esisteva. Per tale ragione, anche le grandi aziende, non potendosi permettere Stampanti come la HP MJF 5200, preferiscono ricorre a service esterni: in questo modo, riescono sempre ad avere a disposizione le nuove tecnologie o materiali che il mercato ha da offrire.

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