Prototipazione rapida: perché la progettazione dei prodotti e la prototipazione rapida vanno di pari passo

La prototipazione rapida utilizza in genere la stampa 3D per creare rapidamente modelli o assiemi in scala basati su progetti digitali, solitamente da file CAD 3D. La capacità di sviluppare e perfezionare rapidamente i prototipi fisici offre agli ingegneri un utile feedback da parte dei collaboratori in modo rapido ed economico. I progettisti industriali (inglese) e i partner possono utilizzare la prototipazione rapida per valutare l'estetica e l'ergonomia a scopo di test con gli utenti, mentre gli ingegneri possono fornire un input sulle proprietà e le prestazioni dei materiali di un prototipo. Altri collaboratori possono convalidare i prototipi rapidi per verificarne la producibilità e la facilità d'uso prima della produzione.

La prototipazione rapida è diventata indispensabile nella progettazione dei prodotti, perché consente la rapida trasformazione dei concetti digitali in modelli tangibili. Il rapido processo di realizzazione favorisce un feedback immediato, che permette di identificare i potenziali difetti di progettazione e garantisce un passaggio più agevole dall'ideazione alla produzione.

La produzione additiva, o stampa 3D, ha rivoluzionato la prototipazione rapida offrendo uno strumento economico ed efficiente per produrre progetti complessi. Il suo semplice approccio accelera la creazione di prototipi, consentendo ai progettisti di iterare più rapidamente e di rispondere prontamente alle sfide progettuali.

La lavorazione CNC integra la prototipazione rapida fornendo precisione e finiture della superficie specifiche, in particolare per i componenti che richiedono tolleranze strette o materiali specifici. Inoltre, offre una combinazione di velocità e precisione, garantendo il funzionamento e la rifinitura dei prototipi.

Autodesk Fusion è una soluzione integrata che unisce la progettazione CAD alle funzionalità di stampa 3D e lavorazione CNC. I suoi strumenti unificati semplificano l'intero processo di progettazione e produzione, rendendolo una scelta ottimale per coloro che desiderano sfruttare appieno il potenziale della prototipazione rapida nella produzione.

Con le stampanti 3D interne, è possibile completare la prototipazione rapida in un ciclo di 24 ore in cui i progettisti creano il modello CAD 3D durante la giornata lavorativa, eseguono la stampa 3D del prototipo durante la notte e testano e modificano il progetto del prototipo il giorno successivo. Questo processo efficiente consente ai team di progettazione di integrare il feedback dei clienti e dei collaboratori, avvicinando ogni iterazione alla forma finale del prodotto.

Il ciclo di feedback aiuta gli sviluppatori ad identificare e risolvere i problemi di progettazione prima di passare ai cicli di produzione. La libertà di testare molte iterazioni del prodotto consente inoltre agli ingegneri di esplorare diversi concept di progettazione con pochi rischi.

Lo sviluppo rapido di prototipi può seguire diverse fasi, in cui il prototipo diventa man mano più complesso e acquisisce proprietà fisiche. Nelle prime fasi di sviluppo del prodotto, i prototipi Proof-of-Concept (PoC) permettono di convalidare i concetti e dimostrare la fattibilità di un prodotto. I prototipi estetici possono dimostrare l'ergonomia e l'esperienza utente di un potenziale prodotto finale, senza includerne le funzionalità complete. I prototipi funzionali potrebbero non avere un aspetto simile a quello del prodotto finale, ma ne offrono le stesse funzionalità e proprietà dal punto di vista meccanico, termico ed elettrico. Infine, i prototipi ingegneristici combinano caratteristiche estetiche e funzionali in un prototipo finale di preproduzione, progettato per la produzione e solo in minima parte utilizzabile per i test di laboratorio.

La prototipazione rapida è spesso associata alle tecniche di produzione additiva (stampa 3D). Anche se esistono altre tecnologie di prototipazione, sono per lo più troppo costose per rientrare nella categoria della prototipazione rapida. Ad esempio, l'ampia gamma di requisiti per l'attrezzaggio e la configurazione dello stampaggio a iniezione rendono questa tecnologia poco pratica e troppo costosa per la prototipazione rapida.

La lavorazione CNC (produzione sottrattiva) a volte può essere la soluzione migliore per la prototipazione rapida di parti che non sono adatte per la produzione additiva. Tuttavia, le macchine CNC richiedono in genere più tempo per l'installazione, la messa in opera e l'attrezzaggio rispetto alle stampanti 3D e sono meno utilizzate per la prototipazione rapida.

Di conseguenza, molti tipi di produzione additiva sono sinonimo di prototipazione rapida. Le tre tecnologie additive più comuni sono la fabbricazione a filamento fuso (FFF) (inglese), anche nota con il nome commerciale di modellazione a deposizione fusa (FDM), la stereolitografia (inglese) (SLA) e la sinterizzazione laser selettiva (SLS).

FFF/FDM è la forma di stampa 3D più diffusa, perché è la più semplice da utilizzare e la meno costosa. È anche abbastanza veloce, il che la rende adatta alla prototipazione rapida. Tuttavia, il funzionamento di questa tecnologia che deposita materiali termoplastici fusi strato dopo strato produce anche imperfezioni superficiali. Tra le tecnologie di stampa 3D, è anche quella che ha la risoluzione e l'accuratezza inferiori ed è quindi ottimale per parti semplici e prototipi in fase iniziale.

I tipi di stampa SLA e SLS 3D sono più costosi del tipo FFF, ma producono parti più resistenti, funzionali e precise della stampa FFF. La stampa SLA utilizza i laser per polimerizzare una vasta gamma di resine in parti di plastica dura con alta risoluzione e tolleranze minime. È un modo veloce per produrre prototipi estetici e funzionali. La SLS è un approccio di prototipazione rapida molto diffuso per la realizzazione di prototipi funzionali e ingegneristici per i test funzionali e sul campo. Utilizza laser ad alta potenza per sinterizzare insieme particelle di molti tipi di polveri, compresi i metalli. La SLS è in grado di produrre parti eccezionalmente resistenti, anche con geometrie complesse e caratteristiche insolite.

Altri metodi di stampa 3D per la prototipazione rapida includono la fusione laser selettiva (SLM), la produzione di oggetti laminati (LOM), l'elaborazione digitale della luce (DLP) e l'erogazione di legante a getto. La PBF, o fusione a letto di polvere, è un altro metodo per la produzione additiva di metalli (inglese) che consente di creare prototipi o parti di produzione, strato dopo strato, da titanio, alluminio, acciaio inossidabile e altre polveri di metallo. La tecnologia DLP è simile alla SLA, ma è più veloce ed economica, anche se può richiedere strutture di supporto durante la stampa e la successiva polimerizzazione. La tecnologia additiva LOM fa aderire strati di carta, plastica o altri materiali tagliati a macchina per fabbricare le parti. Infine, l'erogazione di legante a getto è un metodo di stampa 3D veloce che può utilizzare molte polveri di materiali diversi. Lega strati di polvere spruzzandoli con minuscole gocce di liquido, comprimendo gli strati e rifinendo gli oggetti con la polimerizzazione in forno o la sinterizzazione.