La prototipazione rapida è un processo di progettazione veloce che coinvolge un’idea, la prototipazione e il test di una parte fisica, un modello o un edificio usando un design 3D assistito dal computer (CAD). La costruzione della parte, del modello o dell’assemblaggio è tipicamente realizzata attraverso la produzione additiva, nota anche come stampa 3D. La produzione additiva descrive la tecnologia che viene utilizzata per costruire oggetti 3D aggiungendo strati su strati di materiale.
Ci sono due tipi di prototipi che vengono utilizzati per descrivere un prodotto. Un prototipo ad alta fedeltà è quando il design corrisponde al prodotto finale previsto. Mentre un tipo a bassa fedeltà è quello in cui c’è una chiara distinzione tra il prototipo e il prodotto finale.
Come funziona la prototipazione rapida?
La prototipazione rapida (RP) descrive molte tecnologie di produzione diverse. La RP più usata è la produzione additiva. Tuttavia, altre tecnologie generalmente utilizzate per la RP sono la fusione, lo stampaggio, l’estrusione e la lavorazione ad alta velocità.
Quando si usa la fabbricazione additiva per il processo di prototipazione rapida, vari processi stabiliti possono essere utilizzati per costruire prototipi.
Questi processi sono:
- Sottrattivi: Un pezzo di materiale viene affettato per creare la forma preferita usando la molatura, la tornitura o la fresatura.
- Compressivo: Un materiale semisolido o liquido viene modificato nella forma preferita prima dell’indurimento, proprio come con la fusione, lo stampaggio o la sinterizzazione a compressione.
Quali sono i diversi tipi di prototipazione rapida?
Stereolitografia (SLA) o fotopolimerizzazione in vasca
Questo è un processo di produzione additiva veloce e conveniente. Questa tecnica è stata il primo metodo di stampa 3D a funzionare. Funziona usando un serbatoio di liquido fotosensibile. Questo liquido viene poi trasformato in un solido strato per strato attraverso l’uso di una luce ultravioletta (UV) controllata dal computer. Questo processo è irreversibile, e le parti SLA non possono essere riportate alla forma liquida.
Selective Laser Sintering (SLS)
SLS è una tecnologia di produzione additiva usata per la prototipazione di metallo e plastica. Utilizza strati di polvere per creare un prototipo utilizzando un laser ad alta potenza per riscaldare e sinterizzare il materiale in polvere. Le parti SLS sono più deboli dello SLA. Tuttavia, SLS è a basso costo, richiede tempo e lavoro minimi e offre un’alta produttività. Inoltre, la superficie del prodotto finito è ruvida e richiede più lavoro per ottenere il prodotto finito.
Fused Deposition Modelling (FDM) o Material Jetting
FDM è un processo di produzione additiva che è accessibile, veloce, economico e un processo facile da usare. Questo lo rende ideale per lo sviluppo del prodotto. FDM si trova in molte stampanti 3D desktop non industriali. Crea un oggetto fisico dal basso verso l’alto utilizzando filamento termoplastico che viene fuso all’interno di un barile di ugelli di stampa. L’ugello della stampante si muove avanti e indietro posizionando la plastica liquida strato per strato usando un programma di deposizione del computer.
Selective Laser Melting (SLM) o Powder Bed Fusion (PBF)
Questa è una tecnica di produzione additiva preferita dai fan perché il suo processo è relativamente poco costoso e produce parti ad alta resistenza e sfaccettate. SLM è tipicamente usato da aziende automobilistiche, aerospaziali, mediche e della difesa. Il metodo PBF utilizza un fascio di elettroni o un laser ad alta potenza per fondere strato per strato e fondere insieme la polvere di materiale per creare un prototipo o una parte di produzione. PBF utilizza qualsiasi materiale di base in polvere, ma i materiali più frequentemente utilizzati in RP includono leghe di cromo cobalto, alluminio, acciaio inossidabile, rame e titanio.
Laminated Object Manufacturing (LOM) o Sheet Lamination
Questo è un processo relativamente a basso costo che non è complesso come SLM o SLS. Il vantaggio del LOM è che non c’è bisogno di condizioni di controllo speciali. LOM funziona assemblando strato per strato materiali plastici, metallici e ceramici che sono già stati tagliati con raggi laser o un diverso meccanismo di taglio per creare il disegno CAD. Ogni strato di materiale è incollato con la colla sopra il precedente fino a quando il componente è finito. Un problema con questo stile di produzione additiva è che le parti in ceramica devono essere decubificate, il che richiede molta manodopera e tempi di lavorazione più lunghi.
Digital Light Processing (DLP)
DLP è molto simile alla tecnica SLA in quanto DLP utilizza anche la polimerizzazione di resine che vengono indurite utilizzando una fonte di luce. La fonte di luce DLP proviene dalla luce UV di un proiettore, mentre la fonte di luce SLA proviene da raggi laser UV. Anche se DLP è più veloce ed è più economico di SLA, DLP ha tipicamente bisogno di strutture di supporto e di indurimento post-costruzione.
Una forma diversa di DLP è la Continuous Liquid Interface Production (CLIP). CLIP usa la proiezione di luce digitale per formare una parte che viene continuamente tirata da un tino e non usa strati. Mentre il materiale viene estratto dalla vasca, una sequenza di immagini UV viene proiettata su di esso per cambiarne la forma. Questo indurisce la parte e crea il prototipo.
Binder Jetting
Questa tecnica di produzione additiva permette di stampare una o più parti allo stesso tempo. Rispetto alla SLS, le parti create non sono così forti. Questo processo funziona utilizzando ugelli per spruzzare leganti liquidi per unire le particelle di polvere creando uno strato del pezzo. Strato per strato, la polvere viene aggiunta, compattata e diffusa da un rullo, e viene aggiunto il legante. Alla fine, il pezzo viene creato attraverso la stratificazione di polvere e legante. Una volta finito, il pezzo viene polimerizzato in un forno per eliminare il legante che fonde la polvere nel prodotto finito.
Applicazioni
Questi processi sono utilizzati da designer di prodotti, ingegneri e team di sviluppo per la produzione rapida di parti di prototipi. I prototipi sono estremamente vantaggiosi per i designer di prodotti perché le parti aiutano la visualizzazione, la progettazione e lo sviluppo del processo di produzione prima della produzione di massa.
La prototipazione rapida esiste dalla fine degli anni 80 ed è stata originariamente utilizzata per creare parti e modelli in scala per l’industria automobilistica. Da allora, è stata applicata a una vasta gamma di industrie come quella medica e aerospaziale. Un’applicazione nell’industria dentale è quella in cui la RP è usata per creare vari stampi dentali come le corone.
Infine, il rapid tooling è un’altra applicazione della RP che permette a una persona di produrre un prodotto in modo rapido ed economico. È la creazione di uno stampo in un periodo di tempo ridotto. Nel rapid tooling, una parte come un cuneo di sensore a ultrasuoni viene creata e usata come strumento in un processo diverso.
Quali sono i vantaggi?
L’elenco dei vantaggi della prototipazione rapida è infinito. La RP permette al designer di un prodotto, agli ingegneri e ai team di sviluppo del prodotto di vedere una visione più completa di come il loro prodotto apparirà o funzionerà all’inizio del processo di progettazione e produzione. Questo permette di apportare modifiche o miglioramenti nelle prime fasi del processo, facendo risparmiare al designer tempo e denaro. La lunghezza del tempo che RP richiede può variare da un paio di giorni a mesi e dipende in gran parte dalla tecnica di produzione additiva utilizzata.
Altri due grandi vantaggi della RP sono il rapporto costo-efficacia e la precisione. La RP è un modo estremamente conveniente per prototipare prodotti perché è un processo automatizzato che non richiede molte persone per operare. È anche conveniente perché la RP può agire velocemente e risolvere qualsiasi problema per ridurre il rischio di errori costosi durante la fase di produzione. La RP è una tecnica estremamente precisa grazie alla sua capacità di essere usata con i disegni assistiti dal computer (CAD). Questo permette di ridurre la quantità di materiale che viene sprecato e non c’è bisogno di strumenti specializzati per prototipare ogni prodotto specifico.
RP permette ai designer di mostrare le loro idee uniche ai membri del consiglio, ai clienti e agli investitori in un modo che permette loro di comprendere e approvare il prodotto. I clienti sono in grado di fornire ai progettisti un feedback più accurato perché sono in grado di vedere come sarà il prodotto, basato sul prodotto fisico che possono vedere e toccare, piuttosto che qualcosa che devono immaginare o osservare visivamente in un disegno 2D.
Infine, il processo RP elimina la necessità di creare da zero prodotti personalizzati. Si tratta di un processo interattivo che permette di integrare le esigenze dei suoi clienti nei progetti attraverso mezzi accessibili. Questo processo permette alla RP di fornire una maggiore scelta e flessibilità ai clienti.
Quanto costa?
Il costo varia notevolmente a seconda di una moltitudine di fattori diversi. Questi fattori includono la dimensione fisica del pezzo, il metodo di lavorazione, la quantità, la finitura superficiale, il volume o la quantità di materiale usato per creare il pezzo, il costo della manodopera e la quantità di lavorazione post-produzione che deve essere fatta.
Il costo varia notevolmente a seconda della moltitudine di fattori diversi.