I fondamenti della fabbricazione digitale

La fabbricazione digitale è un workflow di progettazione e manifattura in cui i dati digitali guidano direttamente gli strumenti di produzione per creare le geometrie di diverse parti. Normalmente questi dati provengono dal CAD (design assistito da computer) e poi vengono trasferiti al software di CAM (produzione assistita da computer). I software CAM producono dati in grado di dare indicazioni a una macchina specifica, come ad esempio una stampante 3D o una fresatrice CNC.

Esistono diversi tipi di strumenti di fabbricazione digitale che vanno da piccole macchine per appassionati ad attrezzature industriali specializzate usate nella produzione. Questa guida si concentra sui più comuni strumenti adatti ad aree di lavoro professionali, rivenditori di macchinari e laboratori.

Gli strumenti per la fabbricazione digitale più accessibili colmano il vuoto tra il design e la produzione. Con un accesso sempre più diffuso a tecnologie di livello professionale, è possibile non solo progettare prodotti, ma anche fabbricarli, e ciò offre la possibilità a ingegneri, designer e aziende di ogni dimensione di produrre qualsiasi cosa, dai prototipi ai prodotti finali.

Con questa guida scoprirai i dettagli della fabbricazione digitale: workflow, strumenti e consigli pratici per iniziare.

Come funziona la fabbricazione digitale?

1. Progettazione

Il primo passo è creare il modello virtuale di un design usando un software CAD. Per essere utilizzato come input per lo strumento di fabbricazione, il modello 3D viene esportato come una mesh triangolata che descrive la geometria in maniera uniforme sotto forma di punti sulla superficie (o vertici), facce all’interno dei vertici, lati delle facce e, in alcuni casi, le informazioni sui vettori e i colori appartenenti alle facce.

2. Preparazione

I software di preparazione della stampa (o software di visualizzazione per strati) funzionano da intermediari tra la mesh virtuale e il modello fabbricato per la stampa 3D. In questa fase vengono aggiunti i parametri di produzione e le impostazioni specifiche dello strumento di fabbricazione (principalmente allo scopo di fornire alla macchina una serie di istruzioni da seguire) per creare un file CAM che verrà poi inviato alla macchina. Nei processi di lavorazione meccanica, la simulazione del software viene affiancata all'input da parte dell'utente per generare percorsi utensile che guidano lo strumento di taglio nella geometria della parte, tenendo conto della rapidità dello strumento e della velocità di taglio del materiale stesso.

3. Fabbricazione

Gli strumenti di fabbricazione producono le parti in base ai dati CAM, quasi senza alcuna interazione umana. La parti fabbricate potrebbero richiedere qualche forma di finitura per raggiungere le proprietà definitive e l'aspetto ottimale per essere pronte all'uso.

Strumenti per la fabbricazione digitale

Stampanti 3D

Le tecnologie di stampa 3D o la produzione additiva (Additive Manufacturing, AM) consentono di creare parti tramite l'aggiunta di più strati di materiale sovrapposti finché non viene completato il pezzo.

Le stampanti 3D a modellazione a deposizione fusa (FDM) fondono ed estrudono il filamento termoplastico, che poi un ugello di stampa deposita strato per strato nell'area di stampa. La FDM è la più economica tra le tecnologie di stampa 3D, con macchine per appassionati a meno di 1000 $ e macchine di gamma media al prezzo di 2500 $. Le parti FDM presentano una risoluzione e una precisione inferiori rispetto ad altre stampanti 3D per la plastica, rendendole perciò più adatte ai modelli Proof-of-Concept e alla prototipazione rapida a basso costo di parti semplici, piuttosto che a prototipi complessi o prodotti finali.

La stereolitografia (SLA) utilizza un laser per polimerizzare la resina liquida in plastica dura: questo processo viene chiamato fotopolimerizzazione. Le parti SLA sono molto precise, presentano dettagli ben definiti e finiture superficiali lisce, nonché proprietà dei materiali isotropiche. La stampa 3D SLA è l’ideale per design complessi, prototipi funzionali, strumenti di produzione e modelli di fusione. Le stampanti SLA desktop hanno prezzi che partono dai 3500 $ e sono strumenti estremamente versatili, facili da usare e accessibili per gli utenti professionali.

Scopri come funziona la stereolitografia.

Le stampanti 3D a sinterizzazione laser selettiva (SLS) utilizzano un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere di polimeri. La polvere non fusa sostiene la parte durante il processo di stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate. Le parti prodotte tramite stampa SLS hanno delle caratteristiche meccaniche eccellenti, con una forza simile a quella delle parti create a iniezione. La tecnologia di stampa 3D SLS è l’ultima in ordine di tempo ad apparire in un formato ridotto e più accessibile, con sistemi da banco a partire dai 10 000 $.

 

Consulta la nostra guida approfondita per confrontare le tecnologie FDM, SLA e SLS.

Strumenti CNC

I procedimenti sottrattivi iniziano con blocchi solidi, barre o aste di metallo o altri materiali, che vengono modellati rimuovendo il materiale tramite taglio, foratura e smerigliatura. Nella fabbricazione digitale questi strumenti sono guidati tramite controllo numerico computerizzato (CNC).

La lavorazione meccanica CNC è un processo in cui il materiale viene rimosso tramite un utensile rotante applicato su una parte che resta fissa (fresatura) oppure con un utensile fisso mentre la parte viene fatta ruotare (tornio). I prezzi per le macchine CNC più piccole partono dai 2000 $, mentre gli strumenti per i laboratori più avanzati vanno ben oltre quella cifra, a seconda del numero di assi, delle funzionalità, delle dimensioni della parte e dell'attrezzatura necessaria agli specifici materiali. Le macchine CNC sono in grado di creare parti in plastica o metallo per la prototipazione funzionale, la produzione di attrezzature e parti per uso finale personalizzate o in volumi ridotti.

Le frese laser usano un laser per incidere o tagliare diversi tipi di materiali con grande precisione. Sono strumenti economici, veloci e facili da usare per incidere e tagliare materiali sottili e dalla superficie liscia per realizzare prototipi e parti meccaniche e strutturali. È possibile acquistare macchine per incisioni basiche con meno di 500 $, mentre le macchine di gamma media per laboratori in grado di tagliare diversi tipi di materiali partono dai 3500 $.

Le fresatrici a getto d'acqua utilizzano acqua mischiata con abrasivo e alta pressione, e sono in grado di tagliare praticamente ogni tipo di materiale. Il taglio a getto d'acqua è l’ultimo dei processi CNC in ordine di tempo ad apparire in un formato ridotto e più accessibile, con prezzi a partire da circa 20 000 $ e nuovi prodotti in arrivo probabilmente al di sotto dei 10 000 $. Le fresatrici a getto d'acqua sono in grado di tagliare strati più spessi rispetto alle fresatrici laser e funzionano anche con materiali duri che normalmente sono difficili da tagliare in forme precise in altri procedimenti.

Come iniziare con la fabbricazione digitale

CAD

Ci sono diversi approcci per convertire un'idea di design in un modello virtuale:

La modellazione solida è uno dei metodi tradizionali per creare oggetti 3D, normalmente usato per creare movimenti lineari e convertire idee di design in forme. I solidi vengono combinati e finiti con transizioni per renderli immediatamente adatti alla produzione. Tra le funzionalità avanzate troviamo: estrusioni, filettature di curvature e operazioni di modellazione.

La modellazione di superfici può essere eseguita con la maggior parte dei software di modellazione solida attuali come Autodesk Fusion 360, SolidWorks, Catia, Rhinoceros e SolidEdge. In questo caso, tutte le superfici esterne della forma sono definite singolarmente, permettendo geometrie più avanzate come le transizioni tra diverse superfici contigue.

La scansione 3D è diventata un’opzione accessibile per ottenere dei modelli stampabili in 3D. Soluzioni economiche e nuove app che usano tecnologia di fotogrammetria basata su fotocamera rappresentano un ottimo equilibrio tra velocità, accuratezza e costi. Tuttavia, le scansioni non sono direttamente convertibili in file stampabili in 3D e richiedono una lunga post-produzione con software per la modifica delle mesh.

Vettori

I sistemi bidimensionali come fresatrici CNC e laser possono essere guidati da file esportati da un software per vettori come Adobe Illustrator Pur essendo un pacchetto abbastanza completo, per i disegni più basilari non sono necessarie abilità particolarmente avanzate a parte una certa familiarità con lo strumento penna, modellazione, ricalco dinamico, Pathfinder e un plugin per creare angoli arrotondati.

Preparazione delle mesh

Un modello 3D creato come modello mesh con un pacchetto software CAD normalmente è già pronto per la stampa 3D. È importante avere una mesh chiusa, cioè con tutti i triangoli connessi e non sovrapposti, con le altezze rivolte nella stessa direzione. La modellazione solida normalmente consente di ottenere mesh chiuse, mentre invece nella modellazione di superfici e nella progettazione generativa è necessario controllare che non ci siano doppie superfici o collisioni di volumi.

Esistono molti strumenti di riparazione e ottimizzazione delle mesh, come ad esempio Meshlab. L’ideale è fare un piccolo investimento in uno strumento che permetta di modificare i singoli vertici e facce ed esegua operazioni booleane. Meshmixer è un ottimo programma gratuito per ottimizzare il numero di triangoli e permette anche di riscolpire l’oggetto, mentre Blender permette operazioni booleane.

Progettazione per la fabbricazione digitale

Anche se gli strumenti di fabbricazione digitale offrono molta libertà dal punto di vista del design, vale sempre la pena investire un po' di tempo nell’ottimizzazione delle parti per garantire l’efficienza della produzione e la qualità delle parti. Assicurati di analizzare a fondo le possibilità e le limitazioni della macchina, del materiale, del software e del procedimento di fabbricazione che hai intenzione di usare. Non buttarti a capofitto, ma trova un po' di tempo per sperimentare in vista degli obiettivi che desideri raggiungere.

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