Che cos'è la prototipazione rapida? Metodi, strumenti ed esempi

La prototipazione rapida è l'insieme di tecniche utilizzate per creare rapidamente una parte fisica o un assemblaggio a partire da un design tridimensionale. Grazie alla prototipazione rapida, i team di ingegneria e design possono creare prodotti finali migliori, eseguendo diverse iterazioni tra il design digitale e i prototipi fisici con un workflow rapido e conveniente.

Grazie agli strumenti di prototipazione rapida, come le stampanti 3D Formlabs, è possibile trasformare un'idea in Proof-of-Concept realistici, quindi in un prototipo estremamente fedele che ricalca l'estetica e le funzionalità del prodotto finale. Inoltre, i prototipi stampati in 3D hanno costi accessibili, il che permette di creare decine di prototipi in modo rapido e conveniente.

In questa guida mostreremo esempi reali di prototipi rapidi di aziende leader e scoprirai i concetti fondamentali fondamenti della prototipazione rapida, le sue applicazioni e il modo in cui la stampa 3D può aiutarti a sviluppare prototipi in modo veloce e conveniente.

Poiché i prototipi rapidi vengono solitamente realizzati con tecniche di produzione additiva piuttosto che con metodi sottrattivi tradizionali, questa espressione è diventata sinonimo di produzione additiva e stampa 3D.

La stampa 3D è la soluzione ideale per la prototipazione dei prodotti. Offre una libertà quasi totale nella scelta delle forme, non richiede attrezzature specifiche e permette di creare parti dalle proprietà meccaniche molto simili a quelle di molti materiali realizzati con i metodi di produzione tradizionali. Le tecnologie di stampa 3D esistono fin dagli anni '80, ma costo e complessità elevati le hanno rese accessibili quasi solo alle grandi aziende, mentre le piccole imprese hanno dovuto rivolgersi a fornitori specializzati, dovendo quindi attendere svariate settimane tra un'iterazione e l'altra.

L'avvento della stampa 3D da banco e desktop ha rivoluzionato il settore e ha dato il via a numerose applicazioni, e il numero sembra destinato a crescere. Grazie alla possibilità di stampare in 3D in-house, i team di ingegneria e design possono eseguire iterazioni rapide tra design digitali e prototipi fisici. È ora possibile creare prototipi in un solo giorno ed eseguire diverse iterazioni dei design, modificando dimensioni, forma o composizione in base ai risultati di test e analisi svolte in contesti reali. In conclusione, il processo di prototipazione rapida consente alle aziende di ottenere prodotti migliori che possono essere lanciati sul mercato prima della concorrenza.

Grazie alla prototipazione rapida, potrai dare forma in breve tempo a nuove idee effettuando indagini concettuali che si avvicinano ai prodotti reali. I team di design potranno andare oltre la visualizzazione virtuale, in modo da aver chiaro con facilità quale sarà l'aspetto del prodotto finale e confrontare i concetti.

I modelli fisici consentono ai team di design di condividere i loro concetti con colleghi, clienti e collaboratori, in modo da trasmettere le idee in modo più efficace rispetto alla semplice visualizzazione dei progetti su uno schermo. La prototipazione rapida permette di ricevere feedback dagli utenti in modo chiaro e pratico. Ciò consente di capire davvero le loro necessità, così da poter finalizzare e migliorare i progetti.

Con la stampa 3D non sono necessarie attrezzature costose e lunghe implementazioni: lo stesso apparecchio può essere utilizzato per produrre geometrie diverse. La prototipazione rapida in-house elimina i costi elevati e i tempi di attesa associati all'esternalizzazione.

La progettazione è sempre un processo iterativo che richiede numerose prove, valutazioni e modifiche prima di arrivare al prodotto finale. La prototipazione rapida con stampa 3D offre la flessibilità di creare più velocemente prototipi realistici e apportare le modifiche all'istante, potenziando quindi questo fondamentale processo di sperimentazione.

Un buon modello è costituito da un ciclo di design di 24 ore: creazione del design durante il giorno, stampa 3D delle parti del prototipo durante la notte, pulizia e test il giorno successivo, modifiche al design e iterazione dell'intero processo.

Nel design e nella produzione dei prodotti, l'individuazione tempestiva di difetti durante le prime fasi permette di evitare costose revisioni e modifiche della strumentazione durante i passaggi successivi.

La prototipazione rapida consente ai team di ingegneria di eseguire test rigorosi su prototipi che hanno l'aspetto e la funzionalità dei prodotti finali, riducendo perciò il rischio di riscontrare problemi di usabilità e realizzazione prima di avviare la produzione.

Grazie alla vasta gamma di tecnologie e materiali disponibili, la prototipazione rapida facilita lo sviluppo dei progetti per i team di design e ingegneria, 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 team di design di prodotto a convalidare idee e supposizioni e a testare la fattibilità 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 POC 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.

Affinché la creazione di modelli concettuali sia efficace, la velocità è fondamentale: i team di design 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. A differenza della maggior parte degli strumenti da officina e produzione, 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. Ergonomia, interfacce utente ed esperienza utente complessiva possono essere convalidate con prototipi estetici prima di dedicare molto tempo al design e all'ingegnerizzazione 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 colori, materiali e finiture inclusi nelle sue specifiche.

Parallelamente al processo di design industriale, i team di ingegneria 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 realizzati con la stampante 3D SLA di grande formato 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. Questi prototipi vengo usati per test di 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 ai team di ingegneria 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 sono in grado di riprodurre fedelmente l'aspetto e le caratteristiche fisiche delle parti prodotte con i processi di fabbricazione tradizionali, come lo stampaggio a iniezione. Diversi materiali sono in grado di riprodurre parti con dettagli e trame complesse, superfici morbide, lisce e a bassa frizione, alloggiamenti rigidi e robusti o componenti trasparenti. Le parti stampate in 3D possono essere rifinite con processi secondari come levigazione, lucidatura, la verniciatura o galvanizzazione per replicare qualsiasi attributo visivo di una parte finale, nonché filettate per creare assemblaggi da più parti e materiali.

I prototipi ingegneristici richiedono numerosi test funzionali e di usabilità 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 di utilizzare plastiche ingegneristiche per prototipi a elevate prestazioni in grado di resistere a sollecitazioni termiche, chimiche e meccaniche. 

La prototipazione rapida consente ai team di ingegneria di creare piccoli lotti, soluzioni personalizzate uniche e sottoassemblaggi per la validazione ingegneristica, del design e del prodotto (EVT, DVT e PVT), in modo da testarne la producibilità.

La stampa 3D rende più facile testare le tolleranze tenendo conto dell'effettivo processo di fabbricazione 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'accessibilità. 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 finisce quando inizia la produzione. Gli strumenti per la prototipazione rapida consentono ai team di design e ingegneria di migliorare costantemente i prodotti e risolvere in modo efficace e veloce le problematiche che si presentano nel corso del progetto mediante dime e fissaggi 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 modellazione a deposizione fusa (FDM), stereolitografia (SLA) e 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.

È la forma di stampa 3D più diffusa tra i consumatori, soprattutto grazie a un numero crescente di hobbisti e hobbiste. Le stampanti FDM professionali sono molto apprezzate anche dai team di design e ingegneria.

La stampa FDM offre una risoluzione e una precisione inferiori rispetto ad altri processi di stampa 3D con materie plastiche 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 attenuare alcune di queste problematiche.

La FDM 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 3D SLA utilizzano un laser per polimerizzare la resina liquida, trasformandola in plastica indurita: questo processo viene chiamato fotopolimerizzazione. La SLA è uno dei processi più apprezzati da professioniste e 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 ridotte.

Il vantaggio principale della SLA rimane comunque la versatilità del suo catalogo di resine. Le aziende produttrici di materiali hanno creato formulazioni innovative di resine fotopolimeriche SLA, con un'ampia gamma di proprietà ottiche, meccaniche e termiche in grado di imitare quelle delle termoplastiche standard, ingegneristiche e industriali.

Con la Fast Model Resin, la stampa 3D SLA è anche 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, scelta da team di ingegneria e aziende produttrici di diversi settori perché permette di realizzare parti funzionali robuste.

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 SLS ideale per geometrie complesse che includono dettagli interni, sottosquadri, pareti sottili e dettagli in negativo. Le parti prodotte con la stampa SLS hanno caratteristiche meccaniche eccellenti, con una resistenza simile a quella delle parti create con stampaggio a iniezione.

Nella prototipazione rapida, la stampa 3D SLS viene usata principalmente per prototipi funzionali e ingegneristici, per condurre rigorosi test funzionali sui prodotti (ad esempio, condotti e staffe) e ottenere feedback concreto dalla clientela.

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

Gli strumenti CNC includono la lavorazione meccanica CNC, un processo in cui il materiale viene rimosso tramite uno strumento rotante applicato su una parte che resta fissa (fresatura) oppure con uno strumento 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 configurare 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.