Prototipazione: cos'è e come funziona la stampa 3D

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Forse hai sentito parlare di prototipazione e stampa 3D e hai deciso di approfondire l'argomento.

Benissimo, in questo articolo ti spiegherò a grandi linee cos'è la prototipazione, come funziona la stampa 3D, cosa significa prototipazione rapida e qual è la sua funzione.

Cos'è la prototipazione rapida e come funziona la stampa 3D

Devi sapere che sebbene solo negli ultimi anni la tecnica di prototipazione si sia ritagliata una posizione di nicchia sul mercato internazionale, esiste già da parecchi anni.

Le prime macchine per la prototipazione sono infatti state sviluppate oltre trent'anni fa, sfruttando una tecnologia molto avveniristica per quei tempi, e che ancora oggi stupisce la maggior parte delle persone non avvezze a tale tecnica generativa.

Ma vediamo un po' più nel dettaglio cosa significa il termine prototipazione.

Cos'è la prototipazione e la stampa 3D

Con il termine prototipazione rapida si intende fornire alla clientela richiedente, un servizio preposto alla realizzazione di oggetti, che solitamente non è possibile produrre con le consuete lavorazioni di fresatura o modelleria, e spesso nemmeno tramite stampi.

La prototipazione infatti presume l'utilizzo di macchine e stampanti 3D, le quali grazie alla loro tecnologia innovativa, consentono di realizzare particolari di quasi qualsiasi forma e complessità, con una precisione che è nell'ordine del decimo di millimetro.

Qual è la funzione della prototipazione

Già sentendo il termine "prototipi" possiamo per lo meno immaginare l'ambito di riferimento del settore, ovvero realizzare oggetti di vario genere, allo scopo di testarne la funzione e l'utilizzo a livello pratico prima di lanciare il prodotto sul mercato.

Ti faccio un esempio pratico della logica di funzionamento di un prototipo:

immagina un'azienda che produce qualcosa, supponiamo interruttori della luce, a puro titolo di esempio, poiché potremmo fare centinaia di esempi.

Prima di decidere di produrre milioni di pezzi adibiti alla vendita al dettaglio, l'azienda vuole assicurarsi che il loro interruttore vada bene, che sia idoneo e risponda alle esigenze e alle aspettative del cliente.

Quindi cosa fa?

Semplice: si procura un prototipo dell'interruttore facendolo realizzare da un'azienda di prototipazione rapida che può consegnargli uno o più pezzi commissionati in pochi giorni.

Una volta ottenuto il prototipo la ditta produttrice di interruttori può studiare il modello realizzato, valutarne la struttura, la resistenza e ogni altro aspetto.

Testandolo sul lato pratico può stabilire se il prodotto rispecchia le loro aspettative e se non lo ritenessero adatto, i progettisti potrebbero decidere di modificarlo, migliorarlo, ottimizzarlo.

In seguito alle valutazioni del caso l'azienda può commissionare un altro prototipo del pezzo, per poi testarlo nuovamente.

Una volta che il prototipo rispecchia la qualità e la funzionalità prescritta, l'azienda può procedere con la produzione in serie del pezzo.

Per produrne migliaia di pezzi può servirsi di uno stampo oppure tramite una filiera produttiva, e immettere il prodotto sul mercato.

Naturalmente questo esempio si può applicare a qualsiasi altro prodotto, componente o parte di qualcosa.

Lo scopo di un prototipo teoricamente è quello di testare un prodotto prima di produrlo in serie.

Perché teoricamente? Semplice: se il cliente ha la necessità di realizzare solo pochi pezzi, e il risultato lo consente, ovviamente ha più convenienza a rivolgersi a una ditta di prototipazione che non realizzare uno stampo.

Se devo realizzare la parte meccanica di un motore per esempio, difficilmente potrò utilizzare direttamente un prototipo in materiale plastico.

Si dovrà ricorrere alla microfusione, ovvero predisporre un prototipo in cera che poi viene fuso nel metallo richiesto.

Ma se invece si trattasse di una maniglia o di un meccanismo previsto in plastica, allora un prototipo potrebbe risultare idoneo.

Come funziona la prototipazione con le varie tecnologie

La prototipazione, spesso definita anche rapida per la relativa semplicità con cui si possono realizzare oggetti anche complessi in poche ore di lavoro, avviene per mezzo di macchine o stampanti che sfruttano una particolare tecnologia.

A tal proposito mi riallaccio alle stampanti 3D, adottate dalle aziende di prototipazione. Ma riprenderemo questa sezione poco più avanti.

La prototipazione possiede la peculiarità di poter creare oggetti e particolari anche molto piccoli, altrimenti impossibili da realizzare con i tradizionali sistemi di lavorazione meccanica tramite fresatura e tornio.

Le principali tecnologie adottate per la realizzazione di prototipi sono l'SLS - Syntering Laser Selection e la più recente stampa 3D.

Una caratteristica comune di queste tecnologie è che presentano una lavorazione a strati.

Ma vediamo a grandi linee come funzionano tali sistemi di costruzione.

La sinterizzazione - SLS Synter

Quello della sinterizzazione è un processo adottato già da decenni e si basa sull'utilizzo di macchine definite Synter station, che creano oggetti tramite una procedura laser.

Un raggio laser va a colpire una superficie di materiale in polvere secondo specifiche traiettorie dettate da un software, solidificandolo al suo passaggio.

Il materiale più utilizzato è il nylon, sottoforma di polvere finissima, al quale può eventualmente essere abbinata una percentuale di polvere di alluminio o di vetro, per variare le proprietà meccaniche del prodotto finito.

Come funziona la sinterizzazione

Una Synter station è una macchina delle dimensioni di un'utilitaria, composta da un piano suddiviso in tre sezioni;

Una parte centrale dove viene effettuata la costruzione, e due sezioni laterali che fungono da serbatoio per la polvere.

Le superfici di queste tre sezioni si muovono verticalmente tramite un preciso sistema a coclea.

I due serbatoi laterali si riempiono con la polvere necessaria per la lavorazione.

Un rullo di metallo trasla da destra a sinistra e viceversa, provvedendo a stendere uniformemente la polvere su un unico piano.

Quando il rullo si trova all'estremità sinistra, il piano corrispondente si alza di circa un decimo di millimetro mentre la sezione centrale si abbassa di altrettanto, dopodiché il rullo effettua un passaggio stendendo il materiale sul piano centrale.

A questo punto il laser disegnerà la siluette da realizzare solidificandone la superficie.

La stessa procedura avviene sull'altro lato;

Il ripiano di destra si alzerà mentre la sezione centrale si abbasserà e il rullo stenderà un altro strato di polvere; il laser eseguirà un nuovo passaggio solidificando un sottile strato di polvere su quello precedente, e così via fino al completamento del lavoro.

Si tratta di una lavorazione a strati e i pezzi da realizzare vengono sviluppati sul piano verticale.

Naturalmente il tutto viene gestito da un software installato su un computer.

Tramite l'interfaccia software è possibile impostare tutti i parametri di riferimento, e i pezzi da realizzare vengono inseriti all'interno di uno spazio virtuale che rispecchia l'ambiente di lavoro della macchina, evidenziando le dimensioni effettive consentite dal piano di lavoro.

I pezzi vengono distribuiti all'interno di questo volume, che corrisponde a quasi mezzo metro quadrato, e in base a diversi fattori, viene regolata la temperatura, potenza del laser e altri importanti parametri.

La stampa 3D

Vediamo ora una differente tecnologia adottata nel campo della prototipazione, che basandosi sul medesimo principio della costruzione a strati, riesce a ottenere gli stessi risultati della sinterizzazione, ma riuscendo a ottenere una definizione del dettaglio e una precisione di livello superiore.

Come funziona la stampa 3D

Anche in questo caso esistono diversi modelli di stampanti: alcune lavorano con la cera, altre invece rispecchiano il funzionamento di una stampante 2D tradizionale, con la differenza che sfruttano anche la terza dimensione, l'altezza (spessore).

Forse anche tu avrai sentito parlare delle stampanti 3D, entrate di prepotenza sul mercato sotto la spinta di HP, una delle principali case produttrici.

Le stampanti 3D, come la 4200/5200 di HP, come si evince dal nome, sono delle grandi stampanti a getto di inchiostro che tramite una testina mobile e dei sofisticati ugelli veicolano la traiettoria delle goccioline di inchiostro in base alla geometria dei particolari da stampare.

In concomitanza con il passaggio della testina, delle lampade riscaldanti solidificano lo strato di inchiostro appena generato, il piano di stampa viene automaticamente abbassato di circa un decimo di millimetro, e il processo si ripete; strato dopo strato la stampante 3D esegue la stampa tridimensionale.

Immagina una comune stampante a getto di inchiostro che esegua la medesima stampa sullo stesso foglio, per decine e decine di volte; inevitabilmente lo spessore della stampa aumenterà in rapporto al numero di stampate.

Anche in questo caso il materiale è costituito da un quantitativo di polvere sintetica molto fine, base di partenza da cui vengono ricavati i prototipi.

Un tipo di polvere molto utilizzata è il nylon 12 che conferisce agli oggetti stampati una notevole resistenza fisica, e un alto grado di impermeabilità.

Una volta che la stampante ha terminato il lavoro, occorre attendere un certo periodo di tempo, rapportato alle ore che sono occorse per la stampa, necessario per il raffreddamento della polvere.

Successivamente è possibile estrarre gli oggetti stampati dall'involucro di polvere, spennellarli e pulirli per bene, solitamente tramite un leggero processo di sabbiatura.

Prototipazione e stampa 3D - Come funziona la stampa 3D e a cosa serve

Come ti ho descritto nei vari paragrafi sopra, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, è possibile realizzare oggetti di vario genere e dimensione ricavandoli dal nulla, o più precisamente da un involucro di polvere.

I vantaggi che questa soluzione ci consente, sono molteplici.

prima di tutto non è richiesta una lavorazione spesso al limite, tramite fresatura meccanica.

In seconda analisi la stampa 3D consente di ottenere oggetti altrimenti impossibili da realizzare tramite lavorazione meccanica; basti pensare a una bottiglia per esempio.

L'unico modo per ottenere il prototipo di una bottiglia consiste nel realizzare un costoso stampo. Ma la stampa 3D permette di realizzare oggetti proibitivi anche per gli stampi industriali:

La stampa 3D sopperisce ai limiti dettati dalla complessità dell'oggetto da realizzare.

Un ulteriore enorme vantaggio della prototipazione rapida, consiste nel fatto che è possibile costruire quasi qualunque oggetto ovunque ci si trovi.

Ti faccio un esempio pratico di dove una stampante 3D potrebbe trovare un'applicazione indispensabile.

Pensa a un ospedale. Se in un nosocomio risultasse mancare un determinato oggetto, un qualsiasi strumento, o si rompesse il componente plastico di un macchinario, rendendo quest'ultimo inagibile, magari in stato di emergenza, e occorressero giorni per reperire il pezzo di ricambio, ecco che avendo a disposizione una stampante 3D si potrebbe realizzare quel determinato componente in poche ore di lavoro.

Un'altra destinazione interessante a cui è rivolta l'attenzione della stampa 3D e di cui si sta valutando una possibile collocazione, è l'ambito aerospaziale.

Data la delicatezza delle missioni spaziali poter contare sulla possibilità reale di creare sul momento e nel luogo in cui ci si trova, un componente essenziale per lo svolgimento e il completamento della missione, può rappresentare la differenza tra il successo e il fallimento dell'intera operazione.

E inviare pezzi di ricambio su una base spaziale o su un modulo lunare, capirai bene che richiede uno sforzo enorme, per non parlare dei costi.

Esistono infatti dei modelli di stampanti 3D definite "portatili" (anche se la definizione non è del tutto appropriata) che occupano uno spazio molto più ridotto rispetto alle sorelle maggiori e possono benissimo essere installate su un tavolino.

Naturalmente anche il volume di lavoro risulterà inferiore e appartengono più alla categoria hobbistica che non professionale, ma se il risultato corrisponde alle aspettative, possono benissimo essere inserite in contesti specifici.

Inoltre non dimentichiamoci che questa tecnologia è tutt'ora in costante evoluzione.