Comprendere la prototipazione rapida con la stampa 3D

La prototipazione è parte integrante della progettazione e dell'ingegnerizzazione dei prodotti. Si tratta di un processo iterativo per arrivare a un progetto ottimizzato e collaudato.

Gli ingegneri progettano un modello concettuale iniziale di una parte o di un prodotto da testare. Quindi, fabbricano una parte con il progetto provvisorio (il prototipo), lo sottopongono a una serie di test e valutano il progetto per individuare i lati positivi e le aree di miglioramento. Queste attività saranno ripetute per arrivare a un progetto finale convalidato che soddisfi i requisiti del cliente e della progettazione.

La prototipazione rapida è l'uso di tecnologie digitali per progettare e fabbricare prototipi in modo più rapido e semplice. La prototipazione rapida si basa tipicamente sulle tecnologie di stampa 3D per fabbricare rapidamente i prototipi, in quanto evita la necessità di utilizzare utensili o stampi.

Oltre alla fabbricazione fisica dei prototipi, la prototipazione rapida comprende attività ingegneristiche come la progettazione, la modifica e il collaudo.

Prima della prototipazione rapida. Prima della stampa 3D commerciale, gli ingegneri dovevano affidarsi a una combinazione di frettolosi mockup in gommapiuma e di dettagliati modelli in argilla realizzati da abili artigiani. Ciò ha comportato tempi di consegna molto più lunghi per la produzione di ciascun prototipo, nonché costi di fabbricazione più elevati associati a ciascuna parte prototipo, consentendo in ultima analisi un minor numero di iterazioni di parti in ciascun ciclo di progettazione in un determinato arco di tempo.

La prototipazione rapida inizia con la creazione di un file di progettazione assistita da computer (CAD) per la prima iterazione della parte. L'utente può quindi importare il file di progettazione della parte nel software della stampante 3D.

A questo punto, l'utente preme il tasto di stampa. In un lasso di tempo che va da poche ore a 1-2 giorni, il prototipo sarà pronto per essere testato, valutato e modificato per l'iterazione successiva.

Molte stampanti 3D, tuttavia, si limitano a produrre solo parti di tipo prototipale. Quando si utilizzano queste stampanti, i progetti potrebbero richiedere modifiche per adattarsi ai limiti di produzione tradizionali.

Per la prototipazione con la produzione additiva su scala industriale, gli utenti devono semplicemente sostituire le plastiche per la prototipazione, come il PLA , con materiali più resistenti.

Definizioni formali. La definizione formale di stampa 3D è un processo di produzione che utilizza la fabbricazione strato per strato per tradurre file CAD digitali in oggetti tangibili. La prototipazione rapida è uno dei tanti casi di utilizzo della stampa 3D.

Uso contemporaneo. Oggi il termine prototipazione rapida è associato principalmente alla vecchia era delle stampanti 3D. Queste prime stampanti non erano in grado di fornire una resistenza o una qualità delle parti sufficiente per applicazioni di produzione di valore superiore. Questo limitava di fatto il loro uso alla prototipazione. Molte delle prime stampanti sono state commercializzate come soluzioni per la prototipazione rapida, facendo della stampa 3D una tecnologia di prototipazione rapida fino all'ultimo decennio. Di conseguenza, i due termini sono stati spesso confusi e "prototipazione rapida" è diventato un termine improprio popolare per "stampa 3D"

L'avvento della produzione additiva. Oggi, il termine diffuso "produzione additiva" indica un cambiamento di paradigma nella stampa 3D. Il termine descrive tipicamente l'uso della stampa 3D per applicazioni industriali di alto valore, come parti finite con prestazioni critiche. Implicitamente, il termine si riferisce all'allontanamento della stampa 3D dal suo uso iniziale limitato alla prototipazione rapida.

L'impiego di una piattaforma di stampa 3D per consentire la prototipazione rapida offre numerosi vantaggi rispetto alla prototipazione con metodi tradizionali:

Tempi di esecuzione più brevi. La prototipazione rapida con la stampa 3D riduce i tempi di esecuzione da poche ore a pochi giorni.

Con i metodi di produzione tradizionali, i prototipi richiedono nuovi utensili e/o processi aggiuntivi come la stesura di disegni, l'invio di ordini di acquisto e la gestione dei tempi di spedizione. Senza la stampa 3D interna, l'approvvigionamento di ogni prototipo può richiedere settimane o mesi.

Tempi di esecuzione più rapidi non si limitano a mitigare l'attesa, ma creano vantaggi aziendali tangibili. Le aziende possono innovare più rapidamente e immettere i loro prodotti sul mercato prima.

Efficienza in termini di costi. Rispetto alla produzione tradizionale, l'uso di una stampante 3D per la prototipazione rapida ha anche un'economia unitaria molto più favorevole. Non richiede manodopera specializzata e costosa, né costi di fornitori terzi, né l'uso di utensili o stampi.

Facilità d'uso. Anche la semplicità dell'utilizzo di una stampante 3D per la prototipazione rapida costituisce un vantaggio. La stampa delle parti non richiede competenze specialistiche, e chiunque può farlo. I macchinisti dedicati non devono impegnarsi per molte ore, né è necessario elaborare disegni, presentare ordini di acquisto e coordinare i dettagli logistici con fornitori terzi.

Prototipazione e produzione sulla stessa piattaforma. L'utilizzo di una stampante 3D su scala industriale, invece di una limitata ai materiali di prototipazione più deboli, significa che gli sviluppatori di prodotti possono prototipare e costruire utensili o la parte finita con la stessa piattaforma. In questo modo si garantisce la riuscita del lavoro di stampa per la parte finita. Invece di apportare modifiche per adattarsi ai limiti della produzione sottrattiva, gli utenti possono semplicemente passare a un materiale più performante.

Materiali. Molti utenti preferiscono fabbricare prototipi con materiali economici. Ciò consente di risparmiare sui prototipi che non richiedono proprietà meccaniche avanzate.

Per gli utenti che dispongono di stampanti 3D avanzate con capacità di produzione, i materiali più performanti possono essere riservati ai prototipi funzionali in applicazioni che richiedono resistenza, come ad esempio i prototipi degli attacchi per snowboard, o alla stampa delle parti finite convalidate.

La stampa 3D con materiali plastici avanzati è anche un modo più rapido ed economico per produrre prototipi di parti che alla fine dovranno essere realizzate in metallo.

IlPLA (acido polilattico) è un materiale di prototipazione comune e a basso costo, una termoplastica a bassa temperatura che è uno dei materiali più facili da stampare in 3D.

Stampanti. Un'altra considerazione riguarda la stampante 3D specifica da utilizzare per la prototipazione rapida. Le organizzazioni devono considerare fattori quali la velocità, l'affidabilità, i materiali supportati, le dimensioni di costruzione e la funzionalità del software della stampante 3D.

Sebbene esistano molte stampanti 3D in grado di produrre prototipi di bassa qualità, le organizzazioni dovrebbero prendere in considerazione stampanti con il potenziale di produrre anche parti finite di alta qualità.

Una macchina economica che stampa solo PLA potrebbe sembrare una soluzione semplice per la prototipazione rapida. Tuttavia, compromettere l'affidabilità di una stampante può ostacolare i cicli di progettazione e vanificare qualsiasi vantaggio.

Centor, un pluripremiato produttore di sistemi di porte industriali, è riuscita a ridurre i costi per prototipo da 800 dollari (grazie alla lavorazione meccanica) a soli 10 dollari. La Digital Forge ha ridotto i tempi di esecuzione da circa una settimana a sole 12 ore.

Caldwell Manufacturing, un produttore globale di ferramenta per porte e finestre con sede a nord di New York, ha prodotto parti che prima costavano dai 500 ai 3.000 dollari a soli 30 dollari. Questi parti avevano tempi di esecuzione fino a otto settimane; con la Digital Forge, Caldwell li produce internamente in soli tre giorni.