Guida alla prototipazione rapida per lo sviluppo di prodotto

Grazie alla vasta gamma di tecnologie e materiali disponibili, la prototipazione rapida facilita lo sviluppo dei progetti per designer e ingegneri, dai modelli concettuali iniziali fino alle fasi di progettazione, test di validazione e produzione.

I modelli concettuali o prototipi Proof-of-Concept (POC) aiutano i designer industriali a convalidare idee e supposizioni e a testare la viabilità dei prodotti. I modelli concettuali fisici possono servire per presentare un'idea alle persone coinvolte nel progetto, avviare discussioni e ottenere o meno l’approvazione attraverso esplorazioni del concetto a rischio limitato.

La prototipazione Proof-of-Concept avviene nelle prime fasi del processo di sviluppo del prodotto, e questi prototipi includono le funzionalità minime necessarie per convalidare le ipotesi prima di passare alle fasi successive di sviluppo.

Per realizzare una creazione di modelli concettuali efficaci, la velocità è fondamentale: i designer devono generare numerose idee prima di costruire e valutare i modelli fisici. In questa fase, usabilità e qualità sono meno rilevanti e i team si affidano il più possibile a parti disponibili immediatamente.

Le stampanti 3D sono lo strumento ideale per la creazione di modelli concettuali. Offrono tempi di produzione rapidissimi per trasformare un file in un prototipo fisico e consentono quindi ai designer di testare rapidamente più concetti. Rispetto alla maggior parte degli strumenti di produzione e officina, le stampanti 3D desktop sono pensate per l'ufficio, perciò non richiedono uno spazio dedicato.

I prototipi estetici rappresentano il prodotto finale a un livello astratto, ma possono essere privi di molti dei suoi aspetti funzionali. Il loro scopo è quello di dare un'idea dell'aspetto del prodotto finale e dell'interazione con l'utente. L'ergonomia, le interfacce utente e l'esperienza utente complessiva possono essere convalidate con prototipi estetici prima di dedicare molto tempo alla progettazione e al design necessari per realizzare tutte le funzionalità del prodotto.

Lo sviluppo di prototipi estetici di solito inizia con schizzi e modelli in schiuma o argilla, per poi passare alla modellazione CAD. Se i cicli di progettazione vanno da un'iterazione all'altra, la prototipazione alterna rendering digitali e modelli fisici. Durante la finalizzazione del design, i team di progettisti industriali cercano di creare prototipi estetici in grado di rappresentare accuratamente il prodotto finale utilizzando i colori, i materiali e le finiture (CMF) inclusi nelle sue specifiche.

Parallelamente al processo di progettazione industriale, i team di ingegneri lavorano su un'altra serie di prototipi per testare, eseguire iterazioni e perfezionare i sistemi meccanici, elettrici e termici che compongono il prodotto. Questi prototipi funzionali possono avere un aspetto diverso dal prodotto finale, ma includono le tecnologie e le funzioni fondamentali che devono essere sviluppate e testate. 

Spesso questi passaggi vengono svolti in sottounità separate prima di integrarle in un singolo prototipo di prodotto. Questo approccio in sottosistemi isola le variabili, rendendo più facile per i team suddividere le responsabilità e garantire l'affidabilità a livello più granulare prima di unire tutti gli elementi.

Prototipi funzionali preliminari della stampante 3D SLA per grandi formati Form 3L. 

I prototipi ingegneristici rappresentano l'unione tra design e ingegneria per creare una versione minima utilizzabile del prodotto commerciale finale, orientata al design per la fabbricazione (DFM). Questi prototipi vengo usati per test in laboratorio con un gruppo selezionato di utenti esperti, per comunicare le intenzioni della produzione agli specialisti delle attrezzature che verranno utilizzate nelle fasi successive e per le dimostrazioni durante le riunioni di vendita preliminari.

In questa fase, i dettagli diventano sempre più importanti. La stampa 3D consente agli ingegneri di creare modelli fedeli che rappresentano accuratamente il prodotto finito. In questo modo è più facile verificare design, funzionalità e possibilità di realizzazione prima di investire in macchinari costosi e avviare la produzione, quando i tempi e i costi necessari per apportare modifiche diventerebbero sempre più proibitivi.

I materiali di stampa 3D avanzati possono imitare fedelmente l'aspetto e le caratteristiche fisiche delle parti prodotte con i processi di fabbricazione tradizionali, come lo stampaggio a iniezione. Diversi materiali possono simulare parti con dettagli raffinati, superfici morbide, lisce e a basso attrito, alloggiamenti rigidi e robusti o componenti trasparenti. Le parti stampate in 3D possono essere finalizzate con processi secondari come levigatura, lucidatura, verniciatura o galvanizzazione per replicare qualsiasi attributo visivo di una parte finale, nonché essere filettate per creare assemblaggi composti da più parti e materiali.

I prototipi ingegneristici richiedono numerosi test funzionali e di uso per verificare il modo in cui una parte o un assemblaggio si comporterà quando verrà sottoposto a sollecitazioni e condizioni di utilizzo sul campo. La stampa 3D consente la progettazione di prototipi in plastiche ingegneristiche a elevate prestazioni che possono resistere a sollecitazioni termiche, chimiche e meccaniche. 

La prototipazione rapida consente agli ingegneri di creare piccoli lotti, soluzioni personalizzate uniche e sottoassemblaggi per la validazione dal punto di vista ingegneristico, del design e del prodotto (EVT, DVT e PVT), in modo da testarne la fabbricabilità.

La stampa 3D rende più facile la verifica delle tolleranze tenendo a mente il processo di fabbricazione effettivo e consente di svolgere numerosi test in-house e sul campo prima di passare alla produzione di massa.

È anche possibile stampare in 3D attrezzature rapide e combinarle con processi di fabbricazione tradizionali come stampaggio a iniezione, termoformatura o stampaggio in silicone, in modo da ottimizzare i processi di produzione migliorandone la flessibilità, l'agilità, la scalabilità e l'efficienza economica. Questa tecnologia fornisce inoltre una soluzione efficace per la creazione di dime e fissaggi personalizzati di prova che consentono di semplificare i test e le certificazioni funzionali tramite la raccolta di dati omogenei.

Con la stampa 3D, la progettazione non deve per forza terminare dove inizia la produzione. Gli strumenti per la prototipazione rapida consentono a designer e ingegneri di migliorare costantemente i prodotti e risolvere in modo efficace e veloce le problematiche che si presentano nel corso del progetto mediante attrezzature e strumenti che ottimizzano l'assemblaggio o i processi di controllo di qualità.

La prototipazione rapida è diventata ormai sinonimo di produzione additiva e stampa 3D. Esistono diversi tipi di processi di stampa 3D e quelli più comunemente usati per la prototipazione rapida sono la modellazione a deposizione fusa (FDM), la stereolitografia (SLA) e la sinterizzazione laser selettiva (SLS).

La stampa 3D FDM, nota anche come fabbricazione a fusione di filamento (FFF), è un metodo di stampa 3D che crea parti fondendo ed estrudendo un filamento termoplastico, che viene poi depositato sull’area di stampa dall’ugello della stampante, strato per strato.

La modellazione a deposizione fusa è la forma di stampa 3D più diffusa tra i consumatori, soprattutto grazie a un numero crescente di hobbisti. Ma le stampanti FDM professionali sono diffuse anche tra designer e ingegneri.

La stampa FDM offre una risoluzione e una precisione inferiori rispetto ad altri processi di stampa 3D in plastica e non è l'opzione più adatta per la stampa di design complessi o parti con dettagli elaborati. Si possono ottenere delle finiture di alta qualità tramite processi di lucidatura meccanica e chimica. Alcune stampanti 3D FDM professionali usano supporti solubili per mitigare alcune di queste problematiche.

La modellazione a deposizione fusa utilizza una varietà di termoplastiche standard, come ABS, PLA e le loro miscele, ma le stampanti FDM più avanzate offrono anche una vasta gamma di termoplastiche ingegneristiche e composti. Nella prototipazione rapida, le stampanti FDM sono particolarmente utili per la produzione di parti semplici, come quelle che verrebbero normalmente create tramite lavorazione meccanica.

Le stampanti SLA utilizzano un laser per polimerizzare la resina liquida, trasformandola in plastica indurita: questo processo viene chiamato fotopolimerizzazione. La stereolitografia è uno dei processi più apprezzati dai professionisti grazie all'alta risoluzione, alla precisione e alla versatilità dei materiali.

Le parti SLA presentano altissimi livelli di risoluzione e precisione, i dettagli più nitidi e la finitura superficiale più liscia di tutte le tecnologie di stampa 3D in plastica, rendendo la SLA un'ottima scelta per i prototipi estetici ad alta fedeltà e i prototipi funzionali che richiedono tolleranze ristrette.

Il vantaggio principale della SLA rimane comunque la versatilità del suo catalogo di resine. I produttori di materiali hanno creato innovative formulazioni di resina fotopolimerica per la stereolitografia, con una vasta gamma di proprietà ottiche, meccaniche e termiche in grado di imitare quelle delle termoplastiche industriali, standard e ingegneristiche.

Grazie alla Draft Resin, la stampa 3D SLA è anche diventa uno degli strumenti di prototipazione più rapidi, fino a 10 volte più veloce della stampa 3D FDM.

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è la tecnologia di produzione additiva più comune per le applicazioni industriali, e ingegneri e produttori di diversi settori vi si affidano perché permette di realizzare parti robuste e funzionali.

Le stampanti 3D SLS utilizzano un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere di polimeri. La polvere non fusa sostiene le parti durante il processo di stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate. Ciò rende la sinterizzazione laser selettiva ideale per geometrie complesse che includono dettagli interni, sottosquadri, pareti sottili e dettagli in negativo. Le parti stampate con la sinterizzazione laser selettiva hanno caratteristiche meccaniche eccellenti, con una resistenza simile a quella delle parti create mediante iniezione.

Nella prototipazione rapida, la stampa 3D SLS viene usata principalmente per prototipi funzionali e ingegneristici, per condurre rigorosi test funzionali sul prodotto (ad esempio, condotti e staffe) e ottenere feedback concreto dai clienti.

Gli strumenti a controllo numerico computerizzato (CNC), a differenza di FDM, SLA o SLS, utilizzano processi di fabbricazione sottrattiva. Iniziano con blocchi solidi, barre o aste di metallo o altri materiali, che vengono modellati rimuovendo il materiale tramite taglio, foratura e smerigliatura.

Gli strumenti CNC includono la lavorazione meccanica CNC, 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). Le frese laser usano un laser per incidere o tagliare diversi tipi di materiali con grande precisione. Le fresatrici a getto d'acqua utilizzano acqua mischiata con un elemento abrasivo e alta pressione, e sono in grado di tagliare praticamente ogni tipo di materiale. Le fresatrici e i torni CNC possono avere diversi assi ed essere così in grado di gestire design più complessi. Le fresatrici laser e a getto d'acqua sono più adatte per parti piatte.

Gli strumenti CNC sono in grado di formare parti a partire da plastiche, metalli morbidi, metalli pesanti (macchine industriali), legno, acrilico, pietra, vetro e composti. Rispetto agli strumenti di produzione additiva, gli strumenti CNC sono più complicati da impostare e utilizzare, e molti materiali e design possono richiedere speciali accorgimenti per le attrezzature, l'uso, il posizionamento e l'elaborazione, risultando così più costosi per le parti singole rispetto ai processi additivi.

Nella prototipazione rapida, sono ideali per design semplici, parti strutturali, componenti di metallo e altre parti che non è possibile produrre con strumenti additivi o che diventerebbero troppo costose se si utilizzasse questo metodo.