Guida definitiva agli strumenti di prototipazione per la progettazione di hardware e prodotti
I grandi prodotti hardware non sono frutto del caso. Sono il risultato di un rigoroso processo, che inizia con lo sviluppo del concetto e passa attraverso molteplici cicli di progettazione, ingegneria e validazione prima che il prodotto entri nella fase di produzione.
Ingegneri e progettisti hanno creato prototipi hardware per decenni, ma gli strumenti, i materiali e i metodi utilizzati si sono evoluti enormemente. La prototipazione oggi è più facile, veloce e precisa che mai, e ha un costo sostanzialmente inferiore. Ciò consente ai team di eseguire iterazioni, testare e convalidare i design in modo efficiente e durante le fasi iniziali, così da poter ottenere prodotti finali che funzionano meglio e che richiedono una rielaborazione minima o nulla negli ultimi passaggi, quando si comincia a produrre in serie l'articolo.
I team di ingegneri e progettisti di oggi potrebbero comunque iniziare a realizzare i prototipi con strumenti di base per eseguire iterazioni rapide durante le fasi preliminari. A mano a mano che i loro progetti progrediscono, però, hanno accesso a una combinazione di strumenti avanzati per produrre prototipi che assomigliano ai prodotti finali a livello estetico e funzionale.
In questo articolo esploreremo i diversi strumenti di prototipazione, dai concetti di base ai processi e i macchinari più avanzati, e illustreremo come vengono utilizzati in ciascuna fase dello sviluppo dei prodotti.
Quali sono gli obiettivi della prototipazione?
Un prototipo è un modello preliminare di un prodotto. Alcuni prototipi vengono creati per avere una migliore idea di quale potrebbe essere l'aspetto finale di un prodotto, mentre altri aiutano a dimostrare la funzionalità di un design.
Prototipi consecutivi della Form 1, la prima stampante 3D stereolitografica (SLA) desktop.
La valutazione e la convalida dei design per testarne forma e funzionamento durante le fasi preliminari è fondamentale per il successo a lungo termine di un prodotto.
Un'azienda non può sprecare tempo, denaro e sforzi nella creazione e spedizione di un prodotto, solo per poi scoprire che non riesce a soddisfare le esigenze degli utenti o i requisiti funzionali. Le modifiche al design diventano sempre più costose a mano a mano che un prodotto procede lungo il processo di sviluppo. I prototipi riducono la necessità di costose modifiche al design in fasi avanzate.
Strumenti e metodi di prototipazione per la progettazione di hardware e prodotti
Strumenti e metodi di prototipazione di base
Nelle prime fasi di sviluppo del prodotto, i team dovrebbero cercare di eseguire iterazioni rapide, testando le ipotesi e le funzionalità nel minor tempo e con il minor costo possibile. Gli strumenti e i metodi di prototipazione di base sono economici e facilitano un processo di progettazione agile, utilizzando il più possibile parti di serie e materiali a basso costo.
Modellismo di base
Per i primi prototipi a bassa fedeltà, materiali come argilla, cartone, schiuma e persino giocattoli modulari come i LEGO consentono a progettisti e ingegneri di lavorare rapidamente e a costo ridotto per sviluppare concetti spaziali di base e disegnare la forma del prodotto in tre dimensioni.
Questi materiali sono facili da lavorare e possono essere modellati con strumenti e adesivi comuni per illustrare approssimativamente l'aspetto di un prodotto, sia a grandezza naturale, sia in scala.
Modellismo di base
| Costo | $ |
|---|---|
| Tempo di produzione o realizzazione | Alcune ore |
| Precisione | ★☆☆☆☆ |
| Materiali | Argilla, cartone, LEGO, schiuma |
| Strumenti richiesti | Strumenti base di taglio, adesivi |
| Vantaggi | Economico Tempi di realizzazione brevi Materiali e strumenti facili da reperire e usare Tempi e costi di revisione di un prototipo o per produrre multipli molto ridotti |
| Svantaggi | Difficile o impossibile testare aspetti funzionali significativi del design Limitata capacità di creare forme, parti e assemblaggi complessi Maggiore abilità richiesta per realizzare modelli di qualità sufficiente da essere adatti per l'utilizzo in presentazioni Scarsa precisione |
Fabbricazione
Il modellismo di base e la fabbricazione sono simili nell'approccio, ma quest'ultima si avvale di utensili elettrici e materiali superiori per creare prototipi più resistenti, più precisi e che includono aspetti funzionali. I prototipi fabbricati forniscono un quadro più chiaro dell'intento progettuale e dei requisiti strutturali di un prodotto.
Ingegneri e progettisti utilizzano una varietà di utensili elettrici come trapani, troncatrici, fresatrici e saldatori per fabbricare e assemblare prototipi resistenti. I materiali usati per questo procedimento vanno da sistemi modulari di facile montaggio come le estrusioni di alluminio 80/20® alla lamiera, la plastica e il legno.
Non tutte le aziende hanno gli strumenti richiesti e le strutture adeguate al loro interno, ma i laboratori di fabbricazione forniscono a progettisti, ingegneri e produttori in tutto il mondo l'accesso ad attrezzature e spazi necessari.
Fabbricazione
| Costo | $ |
|---|---|
| Tempo di produzione o realizzazione | Da alcune ore a più giorni |
| Precisione | ★★★☆☆ |
| Materiali | Estrusione di alluminio 80/20, lamiera, plastica, legno, fissaggi meccanici |
| Strumenti richiesti | Varietà di utensili elettrici per il taglio, la formatura, la saldatura e l'assemblaggio |
| Vantaggi | Materiali economici Tempi di realizzazione rapidi Strumenti e materiali abbastanza facili da reperire e utilizzare Relativamente facile rivedere i prototipi |
| Svantaggi | Può essere difficile produrre caratteristiche di dimensioni ridotte e forme complesse come le scanalature È richiesta una vasta gamma di strumenti Richiede un livello di abilità medio-alto per produrre prototipi di qualità |
Strumenti e metodi di prototipazione avanzati
A mano a mano che un prodotto procede lungo le fasi di sviluppo, i team di progettazione e di ingegneria hanno bisogno di strumenti che consentano di realizzare prototipi coerenti con l'aspetto e la funzionalità del prodotto finale. Grazie agli strumenti avanzati di prototipazione, è possibile creare parti personalizzate a partire da materiali uguali o simili e con finiture superficiali e proprietà meccaniche paragonabili a quelli dei prodotti finali. Proprio come i prodotti del mercato di massa utilizzano una moltitudine di polimeri per soddisfare i vari requisiti funzionali, gli ingegneri tendono a usare diversi materiali e metodi per realizzare l'assemblaggio di un singolo prototipo.
Stampa 3D
Combinando costo ridotto, alta velocità e facile operatività in house, le stampanti 3D sono tra gli strumenti di prototipazione rapida oggi più diffusi nei team di progettazione e ingegneria.
Le stampanti 3D creano parti tridimensionali direttamente a partire da modelli CAD tramite l'aggiunta di più strati di materiale sovrapposti, finché non viene completato il pezzo. Dato che non è richiesto l'acquisto di attrezzatura aggiuntiva e i tempi di configurazione per l'avvio di ciascun nuovo progetto sono minimi, il costo di realizzazione di più iterazioni di un prototipo su una stampante 3D è trascurabile rispetto ai processi di fabbricazione tradizionali.
Il prototipo di un misuratore di umidità stampato in 3D da Wohler a partire da più materiali diversi, con un alloggiamento rigido e dei tasti morbidi.
Molti strumenti di prototipazione avanzati comportano costi elevati per le attrezzature e richiedono operatori qualificati, perciò spesso progettisti e ingegneri esternalizzano questi processi per lo sviluppo dei prototipi. Uno dei principali vantaggi della stampa 3D è che consente alle aziende di creare internamente i loro prototipi. I sistemi di stampa 3D compatti desktop o da banco per la creazione di parti in plastica hanno prezzi accessibili, richiedono poco spazio e nessuna competenza specifica, consentendo quindi ai professionisti di accelerare i cicli di iterazione, passando dal richiedere giorni o settimane a poterli realizzare in poche ore.
Guarda come funziona la stampa 3D stereolitografica (SLA).
Ci sono molti tipi di stampanti e tecnologie di stampa 3D sul mercato. La stereolitografia (SLA) e la sinterizzazione laser selettiva (SLS) sono le due opzioni più diffuse per la prototipazione e lo sviluppo dei prodotti. Le stampanti 3D SLA utilizzano una varietà di materiali ingegneristici specializzati e producono parti lisce, isotropiche, robuste e altamente dettagliate. Le stampanti SLS producono prototipi funzionali e parti di produzione con termoplastiche ingegneristiche resistenti.
La stampa 3D viene utilizzata anche per integrare i processi di produzione tradizionali nella creazione di parti colabili, stampi e matrici in volumi ridotti o nella realizzazione di attrezzature personalizzate per la produzione.
Stampa 3D
| Costo | $$ |
|---|---|
| Tempo di produzione o realizzazione | Meno di 24 ore |
| Precisione | ★★★★★ |
| Materiali | Plastiche, metalli |
| Strumenti richiesti | Stampante 3D e strumenti di finitura |
| Vantaggi | Economica (se si usa la plastica) Tempi di realizzazione rapidi Facile da operare in house, non richiede formazione o abilità specialistiche Facile integrazione con software CAD Possibilità di testare forma, aderenza e funzionalità reali Possibilità di creare forme e assemblaggi complessi |
| Svantaggi | Restrizioni delle dimensioni delle parti in base al tipo di stampante 3D Numero minore di opzioni disponibili per la scelta dei materiali rispetto ad altri processi (ad esempio, stampaggio a iniezione) La post-elaborazione può essere laboriosa, a seconda del processo e della geometria della parte La stampa 3D in metallo di solito è troppo costosa per l'uso in house |
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Lavorazione meccanica
La lavorazione meccanica include frese manuali e CNC, torni, lavorazioni a scarica elettrica (ingl. "electrical discharge machining", EDM) e altri processi di sottrazione. Di solito si inizia con blocchi solidi, barre o aste di metallo o plastica, che vengono modellati rimuovendo il materiale tramite taglio, foratura e smerigliatura.
Le macchine CNC funzionano anche con i modelli CAD, ma richiedono una fase intermedia di generazione e convalida dei percorsi utensile (da CAD a CAM), che può richiedere tempo e abilità specifiche. La lavorazione meccanica CNC è perfetta per la produzione di parti ad alta precisione e ripetibili in una varietà di materie plastiche e metalli.
Strumenti di lavorazione meccanica in azione presso il negozio di macchinari A&M Tool and Design.
Rispetto alla stampa 3D, questi processi sono soggetti a maggiori restrizioni di progettazione. I processi di lavorazione meccanica richiedono tolleranze per l'accesso degli utensili e alcune geometrie, come i canali interni curvi, sono difficili o impossibili da produrre con i metodi di sottrazione convenzionali.
Le macchine CNC semplici sono disponibili per poche migliaia di dollari, ma quelle più avanzate con capacità e accessori migliori possono facilmente raggiungere le sei cifre. Anche se tutte le macchine CNC richiedono un operatore esperto, la complessità di produrre un prototipo con una fresa o un tornio CNC dipende dall'attrezzatura utilizzata, dal materiale selezionato e dalla geometria della parte. Per questi motivi, molte aziende esternalizzano le attività di lavorazione meccanica: un fattore che fa lievitare tempi e costi.
Lavorazione meccanica
| Costo | €€ |
|---|---|
| Tempo di produzione o realizzazione | Da qualche giorno a più settimane |
| Precisione | ★★★★★ |
| Materiali | Metallo, plastica, compositi |
| Strumenti richiesti | Macchinari manuali o CNC, software da CAD a CAM |
| Vantaggi | Altissima precisione con risultati ripetibili Adatta per un ampio assortimento di metalli, plastiche e compositi Possibilità di creare forme e assemblaggi complessi |
| Svantaggi | Costosa La lavorazione meccanica in house richiede un elevato investimento in macchinari, spazio dedicato e manodopera specializzata L'esternalizzazione della lavorazione meccanica allunga i tempi di realizzazione e rallenta i cicli di progettazione A causa dei limiti di progettazione, alcune geometrie risultano molto costose, o completamente impossibili, da produrre |
Strumenti di prototipazione per le diverse fasi del processo
Il processo di sviluppo di hardware. Fonte: Ben Einstein, blog Bolt.
Prototipo Proof-of-Concept (PoC)
I prototipi Proof-of-Concept hanno lo scopo di dimostrare che un'idea è realizzabile e che esiste un mercato potenziale in cui vendere il prodotto. 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.
Strumenti di prototipazione consigliati:
- Modellismo di base
- Fabbricazione
- Stampa 3D
Prototipi estetici
Prototipi estetici della stampante 3D SLA Form 2, con diverse soluzioni di posizionamento della cartuccia.
I prototipi estetici rappresentano il prodotto finale a un livello astratto, ma possono essere privi di molti dei loro aspetti funzionali. Il loro scopo è quello di dare un'idea dell'aspetto e dell'interazione con l'utente del prodotto finale. L'ergonomia, le interfacce utente e l'esperienza utente complessiva possono essere convalidate con prototipi estetici prima di dedicare molto tempo alla progettazione e all'ingegnerizzazione necessarie 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.
Strumenti di prototipazione consigliati:
- Modellismo di base
- Fabbricazione
- Stampa 3D
Prototipi funzionali
I primi prototipi funzionali della stampante 3D Form 2.
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.
Strumenti di prototipazione consigliati:
- Fabbricazione
- Stampa 3D
- Lavorazione meccanica
Prototipi ingegneristici
Il prototipo ingegneristico è il punto di incontro tra i prototipi estetici e quelli funzionali, e spesso richiede concessioni da entrambe le parti. I prototipi ingegneristici sono di solito gli ultimi a essere realizzati in house prima dell'inizio delle prove di validazione presso il produttore. Questi prototipi dovrebbero essere realizzati utilizzando i materiali, le parti e i processi finali, ove possibile, ma senza investire prematuramente in costose attrezzature. Ad esempio, per un prototipo ingegneristico con parti strutturali in plastica realizzate in nylon e ABS, si potrebbe utilizzare la stampa 3D SLS per produrre il componente in nylon e la fresatura CNC per la parte in ABS, piuttosto che usare lo stampaggio a iniezione.
I prototipi ingegneristici costruiti da Paralenz hanno contribuito a semplificare la comunicazione con i produttori esteri a contratto.
Quanto più rigoroso e disciplinato è stato il processo di sviluppo del prodotto fino a questo punto, tanto meno saranno necessarie modifiche dell'ultimo minuto. Tuttavia, possono verificarsi comunque errori e i test a lungo termine potrebbero individuare nuovi problemi in fasi avanzate del processo. Le buone pratiche richiedono di ritardare il più a lungo possibile i trasferimenti di attrezzature e progettazione alla fabbrica, in modo che i team di progettazione e di ingegneria dispongano della flessibilità necessaria per risolvere qualsiasi problema dell'ultimo minuto.
Strumenti di prototipazione consigliati:
- Stampa 3D
- Lavorazione meccanica
Velocizzare il workflow di prototipazione con la stampa 3D
In tutte le fasi del processo di sviluppo del prodotto, la stampa 3D consente di produrre prototipi in tempi rapidi e in maniera semplice ed economica, al fine di valutare forma, aderenza e funzionalità. Grazie alla capacità di produrre rapidamente iterazioni multiple, i team di progettazione e di ingegneria possono testare e implementare subito le modifiche, consentendo di lanciare un prodotto sul mercato più velocemente.
Scopri di più sulle stampanti 3D e su come i principali produttori sfruttano la stampa 3D per ridurre costi e tempi di realizzazione, dalla progettazione alla produzione.