Prototipi: a ognuno il suo

La prototipazione è una tecnica usata da sempre nella manifattura. Prima di forgiare tutti i chiodi necessari per una chiesa medievale, il fabbro ne preparava alcuni di varie dimensioni e li affidava ai carpentieri per verificare quali andassero meglio con le varie tipologie di legno usate per la costruzione. Quei chiodi erano prototipi. Lo stesso avviene oggi: prima di iniziare una produzione in larga serie di un nuovo prodotto, la predisposizione di un prototipo è indispensabile per le più svariate ragioni. Per verificare, ad esempio, se la penna appena progettata, che è davvero bella quando si vede nel rendering di un CAD, si può usare altrettanto bene. Per questo non c’è altra soluzione che “materializzarla”, in un modo o nell’altro, anche in una versione che possa essere soltanto impugnata e senza vera e propria capacità di scrittura. Oppure, per vedere se un nuovo pezzo a incastro che deve adattarsi perfettamente a una parte già costruita sia stato effettivamente progettato con cura. Ancora, semplicemente per creare una nuova cover di un cellulare da dare alla forza vendita per tastare il mercato o per raccogliere i pre ordini. O, infine, per creare un pezzo finale, ad esempio un collettore per un carburatore di un’automobile da poter sottoporre ai test meccanici e fisici necessari per le certificazioni. Come si può intuire, i prototipi citati nei quattro esempi sono di tipologie estremamente differenti e vanno costruiti con materiali e sistemi altrettanto diversi. Con le tecniche tradizionali per la cover probabilmente verrà utilizzato uno stampo in acciaio di pre-serie (più economico di quello definitivo) per ottenerne qualche centinaio di pezzi nel materiale definitivo. Per la penna si può usare un qualsiasi materiale rigido lavorato con torni e frese, così come per il pezzo a incastro. Anche il collettore si realizzerà con tecniche sottrattive, ovvero con macchine a controllo numerico che lo fabbricano levigando, bucando, fresando un blocco iniziale.

Entra in gioco la prototipazione rapida
In tutti questi casi però ottenere un prototipo comporta tempi lunghi e costi elevati. Lo stampo in acciaio per la cover di un telefonino, per fare un esempio, può costare qualche migliaio di euro (in base alla complessità) ed è difficile da ottenere in meno di un paio di settimane lavorative. Viene così in aiuto la prototipazione rapida, che consente di arrivare agli stessi risultati mediante tecniche additive anziché sottrattive. Il pezzo, in pratica, non si ottiene togliendo materiale da un blocco iniziale, ma costruendolo strato su strato. Nel caso della cover del telefonino, per rimanere su questo caso, lo stampo potrebbe essere approntato in qualche ora a un costo pari ad almeno un quinto rispetto a quello in acciaio. E questo stampo può essere usato su una normale pressa a iniezione, anche se avrà una durata inferiore a quelli fatti in acciaio. Come per la manifattura sottrattiva esistono però in quella additiva, che oggi è più conosciuta con il generico cappello di Stampa 3D, varie combinazioni tra tecnologie per riuscire ad ottenere il prototipo più adatto alle proprie esigenze al minor costo possibile: la stereolitografia, la sinterizzazione laser di polimeri, la sinterizzazione di metalli tramite laser e fasci di elettroni e così via. Vediamo quindi di individuare le varie tipologie di prototipi oggi realizzabili con la stampa 3D, con relativi materiali e tecnologie.

I prototipi concettuali
Questa tipologia di prototipi ha principalmente lo scopo di dare un aspetto concreto a un progetto realizzato in CAD: vengono di solito usati per verifiche stilistiche (scoprire se è esteticamente gradevole) e per valutazioni ergonomiche. Nel caso dei nostri esempi, quello della penna è un tipico esempio di prototipo concettuale. Per realizzare i prototipi concettuali non sono necessarie stampanti 3D industriali o materiali costosi, dal momento che i pezzi non devono essere sottoposti a particolari sollecitazioni meccaniche: sono sufficienti le piccole stampanti da scrivania con tecnologia FDM (deposizione di filamenti fusi) il cui costo parte da poche centinaia di euro e raramente supera i tremila euro. Anche i materiali necessari, come ABS e PLA, hanno un costo contenuto, molto spesso inferiore ai 30 euro al chilogrammo. Naturalmente, se un’azienda ha già in casa tecnologie differenti, per questo genere di prototipi è adatta anche la stereolitografia, che ha il vantaggio di creare pezzi estetici con un elevatissimo impatto estetico. Sono macchine però più costose e anche le resine di costruzione costano di più. C’è da rilevare che il prezzo delle stampanti stereolitografiche da scrivania si sta progressivamente abbassando e presto arriveranno sul mercato anche modelli che costeranno meno di 5000 euro.

I prototipi per validazione
Quando un prototipo è solo estetico, non importa che sia anche resistente a fortissime meccaniche o estremamente preciso dal punto di vista dimensionale. Queste caratteristiche assumono un’importanza più forte quando si parla di prototipi per validazione, che servono per vere e proprie verifiche di assemblaggio. In pratica, per capire se è stato progettato correttamente ed è in grado di accoppiarsi altrettanto correttamente con un altro oggetto, di solito preesistente, come nel banale caso di un tappo con la relativa bottiglia o di un accessorio per una mano di presa di un robot. In tutti i casi, insomma, in cui non si vogliono avere sorprese nelle pre-serie industriali o addirittura dopo la produzione definitiva.

Il ricorso alla prototipazione di validazione è raccomandabile anche per verificare che un componente, sia pur progettato perfettamente, non crei problemi nell’essere montato sull’attrezzatura (ad esempio potrebbe risultare necessario invertire, dopo questo test, le sequenze di installazione) o nella successiva manutenzione. Pensiamo ad esempio a una scatola portafusibili per automobile, che deve essere installata in fabbrica nel minor tempo possibile al momento giusto della lavorazione, prima o dopo il montaggio di altri componenti, e deve essere facilmente accessibile anche dall’automobilista che dovrà sostituire un fusibile.

Questa tipologia di prototipi è molto usata anche in ambito aerospaziale, navale e automobilistico per test aerodinamici, e nel settore odontoiatrico. In questo caso è soprattutto la precisione del manufatto ad essere importante e le tecnologie più adatte sono diverse: come ad esempio la sinterizzazione laser di polimeri (SLS), la MultiJet Printing (MJP) di 3D Systems che impiega una resina spruzzata da testine e solidificata da raggi ultravioletti, la FDM professionale di Stratasys e la PolyJet di Stratasys che usa fotopolimeri. Sono macchine più costose, per le quali sono stati predisposti centinaia di materiali con caratteristiche estremamente eterogenee, da quelli trasparenti a quelli colorati (con la possibilità di creare prototipi in più colori con un’unica sessione di stampa), da quelli rigidi a quelli flessibili. Le stesse tecnologie, ma usando materiali più performanti, vanno bene anche quando il prototipo, oltre ad essere impiegato per verifiche di assemblaggio, deve essere usato per test aerodinamici, test idrodinamici e test funzionali.

I prototipi tecnici
Questa tipologia di prodotti rappresenta il massimo ottenibile con le tecnologie più evolute di manifattura additiva, perché prototipi tecnici è anche sinonimo di produzione rapida visto che gli oggetti ottenuti hanno proprietà meccaniche assolutamente comparabili con quelle del prodotto finale. Sono produzioni che hanno la stessa finalità, per fare un esempio, di una piccola serie stampata a iniezione con uno stampo di pre-serie. Con il vantaggio, però, che grazie alla prototipazione rapida vengono decisamente abbattuti tempi e costi. In ambito industriale questi prototipi si usano per ottenere le certificazioni di legge, per verificare la durata di un prodotto, per fornire un ricambio singolo in un’applicazione cruciale quando non sia disponibile quello originale e per tutte le verifiche di rispondenza alle normative di sicurezza. In questo caso i sistemi di stampa possono impiegare sia materiali termoplastici (sotto forma di granuli, filamenti o resine) sia polveri di metalli che spaziano dalle leghe di titanio all’acciaio, elaborate nel processo di stampa mediante tecnologie complesse che sfruttano raggi laser (SLS, DMLS), fasci di elettroni (EBM) o speciali proiettori (DLP), per creare gli oggetti. A livello di soli polimeri vengono usate anche tecnologie proprietarie quali la MultiJet Printing e la ColorJet di 3D Systems, la APF di Arburg, la Selective Heat Sintering di Blueprinter, la FDM e la PolyJet di Stratasys. Sono macchine che appartengono a diverse fasce di prezzo, in base alle dimensioni di stampa e alla produttività: da 25.000 euro fino a sfiorare 1,5 milioni di euro. Molte di esse devono essere usate in condizioni di sicurezza e ambienti industriali e non quindi in ufficio.

Gli stampi
Le stesse macchine usate per costruire i prototipi tecnici possono essere impiegate a pieno titolo per la frontiera più avanzata della stampa 3D, quella che viene chiamata manifattura additiva o fabbrica digitale. In questo ambito le aree di applicazione principali sono la produzione rapida di stampi per lo stampaggio a iniezione o per termoformatura (rapid tooling) e per lo stampaggio per colata (rapid casting). Le stesse tecnologie sono spesso adatte anche per la produzione rapida vera e propria, chiamata rapid manufacturing, ma ce ne occuperemo in uno dei prossimi numeri di 3D Printing Pro. Nel caso degli stampi in 3D per lo stampaggio a iniezione, si tratta di una tecnica particolarmente adatta per creare piccole serie di prodotti definitivi e non per grandi lotti di produzione, perché gli stampi creati in questo modo non hanno una durata comparabile a quella degli stampi in acciaio tradizionali. Possono però tranquillamente competere con le attrezzature tradizionali di pre-serie (di solito stampi in alluminio fresato), con il vantaggio di essere approntabili in pochissimo tempo e con costi inferiori.

La stampa 3D viene oggi usata proficuamente anche per costruire inserti di stampi o canali di raffreddamento complessi che non sarebbe possibile ottenere con tecniche tradizionali. Per quanto riguarda invece il rapid casting (o microcasting), questa metodologia riguarda la creazione di modelli per stampi in silicone, ceramica o sabbia o per fusione a cera persa. Sono molte le tecnologie impiegabili per queste applicazioni, ad esempio si può creare uno stampo in silicone partendo da un modello costruito con la stereolitografia o con la sinterizzazione laser selettiva, colando poi la cera nello stampo. Oppure, soprattutto nel settore orafo, con una stampante 3D si produce il modello sacrificabile, che poi viene immerso in gesso liquido. Quando il gesso diventa solido, il tutto viene inserito in un forno, in modo che la cera si sciolga e rimanga lo stampo in gesso. A questo punto può essere versato il metallo fuso nello stampo (dall’oro all’argento), che viene rotto restituendo il prodotto pronto. Questa tecnologia è adatta in genere per tutti gli oggetti di piccole dimensioni, che richiedono una grandissima precisione, dagli strumenti medici ai gioielli. Le principali tecnologie impiegabili sono la MultiJet Printing e la ColorJet di 3D Systems, la FDM e la PolyJet di Stratasys, la sinterizzazione laser e in parte la stereolitografia.