Quattro metodi comuni nella prototipazione rapida

Il prototipo è il campione iniziale di un determinato prodotto e prototipazione rapida significa realizzare campioni rapidamente. Nelle diverse fasi dello sviluppo del prodotto, per prodotti diversi, lo scopo della realizzazione di campioni è diverso. In generale, ci sono tre tipi di scopi per realizzare campioni: verificare la funzione, verificare l'aspetto e verificare il processo di produzione di massa. In base a queste tre diverse tipologie di finalità, la prototipazione rapida adotta processi differenti. Tra questi processi, quattro sono quelli utilizzati più spesso: stampa 3D, lavorazione CNC, fusione sotto vuoto (colata di uretano) e stampaggio rapido.

Quando si sceglie quale tecnologia

Se desideri verificare l'aspetto o la forma base del prodotto, la stampa 3D di prodotti in plastica è solitamente la scelta migliore. I prodotti in metallo possono scegliere la lavorazione CNC o la stampa 3D. La stampa 3D in metallo è ancora molto costosa. In generale, la lavorazione CNC sarà relativamente economica. Naturalmente, per alcune parti molto complesse, come la struttura di un tubo curvo, Lavorazione CNC sarà difficile da raggiungere.

Se si desidera verificare una determinata funzione o una determinata situazione di forza, ad esempio se la pala rotante della ventola si romperà alla velocità richiesta, il prototipo deve utilizzare un materiale specifico, quindi la lavorazione CNC sarà più adatta. A causa dei diversi principi di formazione del stampa 3D processo, la resistenza del materiale sarà notevolmente diversa quando il prodotto verrà utilizzato in futuro.

Se si desidera verificare il tasso di difetti o la coerenza durante la produzione di massa, è necessario utilizzare un processo il più vicino possibile alla produzione di massa. Ad esempio, lo stampaggio a iniezione viene utilizzato nella produzione di massa e in questo momento viene utilizzato lo stampaggio a iniezione con stampo rapido.

La fusione sotto vuoto viene normalmente utilizzata quando la stampa 3D non è in grado di fornire il materiale giusto o quando la quantità richiesta è troppo inferiore per lo stampaggio a iniezione ma eccessiva per la stampa 3D. La fusione sotto vuoto è più adatta per la produzione di poche decine o poche centinaia di prototipi. Tuttavia, con il costante aumento del costo della manodopera, lo stampaggio a iniezione rapida viene sempre più utilizzato per sostituire la fusione sotto vuoto.

I 4 metodi di prototipazione rapida

Stampa 3D

La produzione additiva, nota anche come stampa 3D, è un metodo per creare oggetti tridimensionali utilizzando a progettazione assistita da computer (CAD) o un modello 3D digitale. Impiega vari processi in cui il materiale viene depositato, unito o solidificato sotto il controllo preciso di un computer. In genere, materiali come plastica, liquidi o granelli di polvere vengono fusi insieme, spesso a strati, per costruire l'oggetto.

Durante gli anni ’1980, le tecniche di stampa 3D venivano utilizzate principalmente per produrre prototipi funzionali o visivamente accattivanti e il termine “prototipazione rapida” era più comunemente usato per descrivere il processo. Tuttavia, entro il 2019, i progressi in termini di precisione, ripetibilità e capacità dei materiali hanno elevato la stampa 3D al punto che alcuni processi sono ora considerati praticabili per la produzione industriale. Di conseguenza, il termine “produzione additiva” è spesso usato in modo intercambiabile con la stampa 3D.

Uno dei vantaggi significativi della stampa 3D è la sua capacità di fabbricare forme o geometrie altamente complesse che altrimenti sarebbero difficili da costruire manualmente. Ciò include la creazione di parti cave o l’incorporazione di strutture reticolari interne per ridurre il peso. A partire dal 2020, il processo di stampa 3D più utilizzato è la modellazione a deposizione fusa (FDM), che utilizza un filamento continuo di materiale termoplastico.

Dalla fine degli anni ’1970 sono stati sviluppati numerosi processi di stampa 3D, inizialmente caratterizzati da grandi dimensioni, costi elevati e capacità limitate.

Oggi esiste un'ampia gamma di processi additivi, ciascuno caratterizzato dal metodo di deposito degli strati per creare le parti e dai materiali utilizzati. Alcune tecniche prevedono la fusione o l'ammorbidimento del materiale per formare strati, come la fusione laser selettiva (SLM) o la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), sinterizzazione laser selettiva (SLS), modellazione a deposizione fusa (FDM) o fabbricazione di filamenti fusi (FFF). Altri metodi utilizzano tecnologie avanzate per curare materiali liquidi, come la stereolitografia (SLA). La produzione di oggetti laminati (LOM) prevede il taglio di strati sottili e la loro unione, spesso utilizzando materiali come carta, polimeri o metallo.

La deposizione di particelle utilizzando la tecnologia a getto d'inchiostro stampa singole gocce di materiale, ciascuna goccia rappresenta una particella o un oggetto. Gli inchiostri colorati a caldo vengono utilizzati per produrre oggetti monocolore impilando gocce CMYK. I modelli 3D complessi vengono costruiti fondendo gocce sovrapposte in strati come indicato dal file CAD suddiviso in sezioni. La tecnologia a getto d'inchiostro consente la creazione di strutture solide o a celle aperte in base alla configurazione di stampa a getto d'inchiostro della stampante. Diversi metodi offrono vantaggi e svantaggi, portando alcune aziende a fornire una scelta di materiali in polvere e polimerici per la fabbricazione di oggetti.

Colata sotto vuoto

La fusione sotto vuoto è un metodo efficiente ed economico comunemente utilizzato per la prototipazione rapida, in particolare per la produzione di una quantità limitata (tipicamente fino a 20) di parti prototipo precise in poliuretano. Anche se leggermente più lento rispetto ai processi SLA (stereolitografia) autonomi, Colata sotto vuoto comporta passaggi manuali aggiuntivi. Il tempo di produzione dipende dalle caratteristiche desiderate della parte, e le dimensioni giocano un ruolo significativo nella durata dell'indurimento del materiale.

Per creare un piccolo lotto di parti, viene realizzato un unico stampo principale utilizzando un modello principale SLA. Questo stampo, composto da gomma siliconica, viene utilizzato per colare la resina all'interno di una camera a vuoto. Il risultato è una fusione senza bolle, ideale per generare prototipi in plastica altamente accurati e funzionali con dettagli intricati che replicano fedelmente modelli, dimensioni, profili e trame.

La fusione sotto vuoto consente la produzione di parti con diversi livelli di flessibilità o rigidità, offrendo un ampio spettro di colori e materiali tra cui scegliere, inclusa la creazione di componenti trasparenti.

Lavorazione CNC

Il controllo numerico, comunemente noto come CNC (controllo numerico computerizzato), è il metodo automatizzato per controllare gli strumenti di lavorazione, come trapani, torni, frese, smerigliatrici, router e stampanti 3D, attraverso l'uso di un computer. Con il CNC, una macchina lavora un determinato materiale (metallo, plastica, legno, ceramica o composito) sulla base di istruzioni programmate senza richiedere l'intervento manuale diretto da parte di un operatore.

Una macchina CNC è costituita da strumenti manovrabili motorizzati e spesso da una piattaforma motorizzata, entrambi controllati da un computer secondo specifiche istruzioni di input. Queste istruzioni vengono consegnate alla macchina CNC sotto forma di un programma sequenziale che contiene codici di controllo macchina come codice G e codice M, che vengono poi eseguiti. Il programma può essere scritto manualmente da un individuo o, più comunemente, generato tramite software di progettazione assistita da computer (CAD) o di produzione assistita da computer (CAM). Nel caso delle stampanti 3D, la parte da stampare viene “tagliata” prima di generare le istruzioni o il programma e il G-Code viene utilizzato anche nella stampa 3D.

Il CNC offre miglioramenti significativi in ​​termini di produttività rispetto alla lavorazione non computerizzata, in particolare per attività di produzione ripetitive che altrimenti richiederebbero il controllo manuale (ad esempio, utilizzando volantini o leve) o la guida meccanica attraverso guide di modelli prefabbricate (come si vede nelle frese a pantografo). Tuttavia, è importante notare che questi vantaggi comportano costi sostanziali sia in termini di spese in conto capitale che di tempo di installazione richiesto per ciascun lavoro. In alcuni casi, per la prototipazione e piccoli lavori in lotti, un operatore macchina esperto può produrre parti di alta qualità mentre il flusso di lavoro CNC è ancora in fase di impostazione.

Stampaggio ad iniezione rapido

Lo stampaggio rapido a iniezione è un processo di produzione che consente la produzione rapida di parti stampate a iniezione per la prototipazione o la produzione in piccoli volumi. Combina i vantaggi dello stampaggio a iniezione tradizionale con un flusso di lavoro snello e accelerato.

Il processo inizia con la creazione di uno stampo, tipicamente in alluminio o in un materiale più morbido rispetto agli stampi di produzione. Lo stampo è progettato per accogliere la geometria della parte desiderata. Successivamente, lo stampo viene montato su una macchina per lo stampaggio a iniezione.

Il materiale, spesso resina termoplastica, viene poi iniettato nello stampo ad alta pressione. Il materiale riempie le cavità dello stampo, assumendo la forma del pezzo desiderato. Dopo che il materiale si è solidificato e si è raffreddato, lo stampo viene aperto e la parte viene espulsa. Questo ciclo può essere ripetuto più volte per produrre una serie di parti.

Lo stampaggio ad iniezione rapida offre numerosi vantaggi. Innanzitutto, consente tempi di consegna rapidi, riducendo significativamente i tempi di consegna rispetto allo stampaggio a iniezione tradizionale. Ciò lo rende una soluzione ideale per la prototipazione, il test concettuale e le piccole serie di produzione. Inoltre, lo stampaggio a iniezione rapida offre risparmi sui costi eliminando la necessità di stampi di produzione costosi e dispendiosi in termini di tempo.

Sebbene lo stampaggio a iniezione rapida non sia adatto alla produzione di grandi volumi a causa delle limitazioni degli stampi più morbidi, fornisce un'opzione preziosa per ottenere rapidamente parti funzionali e rappresentative. Consente a ingegneri e progettisti di testare e convalidare i propri progetti, apportare modifiche e iterare rapidamente prima di impegnarsi nella produzione su vasta scala.

Conclusione

In conclusione, la prototipazione è una fase cruciale nel processo di sviluppo del prodotto che prevede la creazione di una rappresentazione tangibile di un concetto di design. Consente di testare, convalidare e perfezionare le idee prima di procedere alla produzione su vasta scala. La prototipazione consente a progettisti, ingegneri e parti interessate di visualizzare e interagire con il prodotto, raccogliere feedback, identificare i difetti di progettazione e apportare i miglioramenti necessari. Facilitando l'iterazione e la collaborazione, la prototipazione svolge un ruolo fondamentale nel garantire lo sviluppo di prodotti di successo e incentrati sull'utente. Aiuta a ridurre i rischi, risparmiare sui costi e accelerare il processo complessivo di progettazione e innovazione.