Prototipazione con stampa 3D, lavorazione con macchine CNC o stampaggio a iniezione?

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Fig.1 Campione realizzato con la FDM o modellazione a deposizione fusa. Il processo di FDM realizza i pezzi dal basso verso l'alto con l'uso di una testina di stampa computerizzata

La lavorazione con macchine CNC e lo stampaggio a iniezione esistono da tanto, ma fino a relativamente poco tempo fa nessuno dei due rappresentava una soluzione fattibile per la prototipazione di pezzi in plastica. Uno stampo per iniezione è in grado di produrre migliaia di pezzi ma la messa a punto per la produzione del primo pezzo può impiegare settimane, perfino mesi, e costare decine di migliaia di dollari. Analogamente, la lavorazione con macchine CNC può produrre lo stesso pezzo in grandi quantità, ma è necessario innanzitutto aver predisposto i percorsi e anche questa operazione richiede un impiego notevole di tempo e risorse. I costi di configurazione possono essere ammortizzati producendo pezzi in quantità sufficientemente elevate, ma il senso della prototipazione è produrre in tempi brevi e a basso costo quantità minime di pezzi, da esaminare rapidamente e poi mettere da parte. Fino a relativamente poco tempo fa, l’unico modo per produrre prototipi era lavorarli a mano partendo dalle stampe. Si trattava di un processo laborioso e a volte soggetto a errori, ma necessario.

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Prototipazione automatizzata di pezzi in plastica
La prima tecnologia pratica per la prototipazione automatizzata di pezzi in plastica è stata la stampa 3D, metodo additivo inventato negli anni Ottanta e commercializzato nel decennio successivo. La stampa 3D è nata con il software Autodesk CAD e con la stampante per PC. I progettisti usavano Autodesk e altri pacchetti CAD (prima in due e poi in tre dimensioni) per creare nella “testa” del computer un modello virtuale che definiva completamente un oggetto solido; successivamente, la stampante dava corpo a un’immagine bidimensionale, concepita dal cervello elettronico. La sostituzione dell’inchiostro con un liquido in grado di solidificarsi o una polvere fondente e l’impilamento di strati “bidimensionali” uno sull’altro è stato il passo successivo, logico ma tecnologicamente complesso. Improvvisamente, i progettisti erano in grado di creare nel proprio studio modelli CAD in 3D e ottenere un pezzo tridimensionale in poche ore o giorni (vedi la Figura 1). Il pezzo, almeno nella forma complessiva, riproduceva il modello CAD, eliminando l’errore umano comune nel passaggio dal progetto al pezzo; per i progettisti non era più necessario cercare di immaginare come si sarebbe presentato in forma fisica il modello su carta. La stampa 3D è diventata in breve tempo il metodo privilegiato per la prototipazione in plastica. Le tecnologie di stampa 3D hanno continuato a crescere in termini di applicazioni e capacità, ma sono rimaste limitate sia per la gamma dei materiali utilizzabili, sia per la resistenza strutturale dei prodotti. La lavorazione con macchine, invece, è un processo sottrattivo e in quanto tale è in grado da tempo di produrre oggetti solidi in centinaia di materiali diversi (vedi la Figura 2). Ma le potenzialità della lavorazione con macchine come metodo di prototipazione pratico hanno faticato a farsi riconoscere.

Per prototipi in materiali equivalenti a quelli di produzione
La lavorazione con macchine aveva un vantaggio: a differenza della stampa 3D, che richiedeva nuove tecnologie di produzione, quella con macchine CNC possedeva già tutte le attrezzature necessarie. La difficoltà stava nella necessità di sviluppare il software per convertire i modelli CAD in percorsi. La stampa 3D utilizza un procedimento abbastanza immediato, che consiste nella scomposizione in strati di un solido. La conversione interamente automatizzata dei modelli CAD in movimenti della macchina utensile su tre assi, insieme alla generazione automatizzata degli attrezzi di fissaggio, era più complessa e l’obiettivo è stato raggiunto soltanto nel 2007. Ora che esiste il software, però, la lavorazione con macchine CNC di pezzi singoli rappresenta una soluzione di prototipazione fattibile ed economica. In alcuni casi, può dimostrarsi un po’ più costosa della stampa 3D e non può essere realizzata presso lo studio dei progettisti, ma consente di realizzare prototipi in materiali equivalenti a quelli di produzione, permettendo così il collaudo funzionale delle proprietà meccaniche, elettriche, chimiche e ottiche del pezzo. Questo aspetto riveste un’importanza crescente dal momento che il numero di plastiche per scopi specifici continua ad aumentare. La lavorazione con macchine può essere utilizzata, inoltre, per produrre prototipi non soltanto in resina ma anche in metallo.

Per centinaia di prototipi o migliaia di pezzi
Come la stampa 3D, la lavorazione rapida con macchine CNC non offre particolari vantaggi in termini di costi all’aumentare del volume di produzione. Questo è il campo in cui eccelle, invece, lo stampaggio a iniezione rapida. Come la lavorazione con macchine, questo metodo utilizza un software per convertire rapidamente i modelli CAD 3D in percorsi per fresare gli stampi in alluminio. Una volta realizzato lo stampo, il costo per pezzo stampato si riduce velocemente, perciò il processo è perfetto per la produzione di decine o centinaia di prototipi per collaudi funzionali o di mercato, oppure per produrre migliaia di pezzi da immettere sul mercato stesso. È un metodo di prototipazione ideale perché è in grado di produrre pezzi in una qualsiasi delle centinaia di resine stampabili a iniezione (vedi la Figura 3). E, oltre alle funzionalità, consente di testare anche la realizzabilità dello stampo. La stampa 3D e la lavorazione con macchine possono produrre pezzi con caratteristiche che sarebbe difficile o impossibile realizzare in uno stampo.

 

 

 

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