Prototipazione rapida: cos'è e quale processo scegliere in ogni fase dello sviluppo

La prototipazione rapida consiste nel produrre un pezzo direttamente dal file 3D, senza stampi o attrezzature, per averlo in mano in giorni e non in settimane. Oggi significa quattro processi: stampa 3D a partire da 5 giorni lavorativi, lavorazione CNC e taglio e piegatura della lamiera a partire da 8, e colata sotto vuoto a partire da 10. In ogni fase dello sviluppo si valida qualcosa di diverso (la forma, la funzione, l'aspetto, la serie) e per questo il processo adeguato cambia da una fase all'altra.

Questa guida percorre le quattro fasi, cosa si verifica in ciascuna e quale processo, materiale e quantità conviene, con i tempi del nostro servizio di produzione di prototipi e piccole serie.

Che cos’è la prototipazione rapida?

Il termine è nato negli anni '80 con la stereolitografia: per la prima volta un pezzo usciva da un file senza prima realizzare uno stampo. Per anni «prototipazione rapida» è stato sinonimo di stampa 3D. Oggi il concetto è più ampio: qualsiasi processo che produce un pezzo su misura dal CAD, senza attrezzature specifiche, in giorni. La lavorazione CNC, la lamiera tagliata al laser e piegata e la colata sotto vuoto in stampi in silicone entrano nella definizione, e ciascuno risponde a una domanda diversa dello sviluppo.

L'opposto della prototipazione rapida non è la lentezza, ma l'attrezzatura: uno stampo di iniezione o una matrice di stampaggio che costa migliaia di euro e settimane e che si paga solo quando il design non cambierà più.

Le quattro fasi e cosa si verifica in ciascuna

Fase 1: il prototipo di concetto

Serve per verificare che il pezzo stia, sia ben tenuto e si agganci agli altri. Non serve il materiale finale né le tolleranze: serve rapidità e prezzo. La stampa 3D MJF in PA12 è l'opzione di default: senza supporti, con precisione di ±0,3 mm fino a 100 mm e partendo da una singola unità. Se volete vedere solo un volume, una stampante da scrivania a casa va bene; non appena il pezzo ha clip, filettature o pareti sottili, il PA12 regge e il PLA no. Maggiori informazioni su questa tecnologia in come funziona la stampa 3D Multi Jet Fusion.

Fase 2: il prototipo funzionale

Qui il pezzo deve funzionare: sopportare carico, ruotare su un cuscinetto, resistere alla temperatura o agganciarsi a un pezzo acquistato. Il processo lo decide il materiale necessario alla funzione:

• Metallo o plastica tecnica con tolleranze: lavorazione CNC di pezzi su misura, con tolleranza generale ISO 2768-f e fino a IT7 nelle quote di accoppiamento. Alluminio per la maggior parte dei casi; acciaio o inox se c'è usura; POM o PEEK in plastica.
• Geometria complessa, carcasse, condotti, clip: MJF in PA12, che regge montaggio e uso, e TPA quando il pezzo deve flettersi.
• Supporti, telai e involucri: taglio laser e piegatura della lamiera, in acciaio, inox o alluminio da 0,3 a 15 mm.

È la fase in cui si impara di più e dove si fanno più versioni. Un consiglio: ordinate ogni versione in una singola unità e passate a cinque solo se il design regge il test.

Fase 3: il prototipo di aspetto

Per una presentazione, una fiera, una foto di catalogo o un test con gli utenti, il pezzo deve sembrare il prodotto finale: colore del brand, brillantezza, texture, trasparenza. La colata sotto vuoto copia un master finito a mano e produce pezzi in poliuretano rigido, flessibile o trasparente con colore RAL pigmentato in massa; è il più simile a un pezzo stampato a iniezione senza fare lo stampo. In metallo, la lavorazione con anodizzazione o verniciatura ricopre lo stesso ruolo. Le finiture disponibili sono in finiture per pezzi lavorati.

Fase 4: la preserie da 10 a 300 pezzi

Prima di ordinare uno stampo a iniezione conviene mettere pezzi reali nelle mani di clienti pilota, montare le prime unità e validare il processo. La colata sotto vuoto è pensata per questo: circa 20 copie per stampo in silicone, vari stampi per serie di 100 o 300, e lo stesso aspetto in tutte. Se il pezzo è metallico, la lavorazione CNC in piccola serie abbassa il costo unitario distribuendo il programma e il bloccaggio; se è funzionale in plastica, la vasca MJF si riempie di pezzi. Quando conviene ciascuno è spiegato in colata sotto vuoto o iniezione: cosa scegliere.

Quale processo scegliere? L'albero decisionale

1. Il pezzo è in metallo o ha bisogno di tolleranze di accoppiamento? → Lavorazione CNC.
2. È in lamiera: piana, piegata, con spessore uniforme? → Taglio e piegatura.
3. È in plastica con geometria complessa, fori interni o clip, in 1 a 500 unità? → Stampa 3D MJF.
4. Deve sembrare a iniezione, con colore e finitura, in 10 a 300 unità? → Colata sotto vuoto.
5. Più di 300 pezzi uguali con il materiale definitivo? → Iniezione, e una preserie prima con colata.

Il selettore di processo produttivo fa queste domande in modo interattivo e vi restituisce il processo e il materiale in un minuto. E se il pezzo ha due parti distinte, si combinano: carcassa in PA12 e albero in alluminio, ad esempio.

Quanto costa e come abbassare il prezzo

Senza attrezzatura, il primo pezzo è il più costoso e a partire da lì il prezzo unitario scende: in lavorazione CNC si ripartiscono il programma e il bloccaggio, in MJF si riempie la vasca, in colata si ammortizzano il modello master e gli stampi. Quattro modi per pagare meno:

• Richiedete il preventivo con tre quantità e guardate la curva prima di decidere.
• Progettate per il processo: raggi di 1 mm e tasche poco profonde in CNC, pareti di 1,5 mm e fori con uscita di polvere in MJF, spessori uniformi e angoli di sformatura in colata.
• Tolleranze solo nelle quote funzionali; la generale è già fine. Lo spiega la guida di tolleranze per processo.
• Valutate sul materiale economico ciò che è possibile (alluminio prima che inossidabile, PA12 prima che poliuretano verniciato) e riservate il costoso per l'ultima versione.

Cinque errori comuni

1. Stampare in 3D un prototipo che deve reggere 120 °C o portare un cuscinetto: è un pezzo di lavorazione.
2. Ordinare dieci unità di una versione che nessuno ha provato.
3. Impostare tolleranze di ±0,02 su tutto il disegno «per sicurezza».
4. Presentare al cliente un pezzo grigio in PA12 quando il prodotto sarà bianco lucido: la colata sotto vuoto esiste proprio per questo.
5. Ordinate lo stampo in silicone prima della preserie.

Domande frequenti sulla prototipazione rapida