Prototipazione

Prototipazione CNC.

Il Controllo numerico computerizzato (CNC) è una tecnologia in uso da ormai molti anni, si è evoluta ed applicata a svariate tipologie di macchinari, determinando una maggior efficienza, maggior precisione e una sostanziale riduzione dei materiali di scarto. La prototipazione CNC non si avvale di una semplice fresa ma utilizza un utensile di taglio cilindrico che può ruotare in varie direzioni e può spostarsi su più assi (da 3 a 5 assi) e che può effettuare operazioni complesse di incisione, foratura, spianatura con precisione millimetrica.
Queste macchine a controllo numerico sono in grado di produrre forme specifiche che sono praticamente impossibili da produrre con qualunque utensile manuale. Inoltre, la maggior parte delle frese CNC sono dotate di un dispositivo speciale che pompa il fluido all'utensile di taglio durante il processo produttivo per ridurne l'attrito.
La prototipazione CNC è l'ideale per le aziende che cercano di realizzare componenti di alta precisione. Tutto ciò che è richiesto è un'esatta programmazione a livello software.

Quali tipi di materiali usano le frese CNC? Quasi tutti i tipi di materiali che possono fisicamente essere forati o tagliati. Tuttavia, la maggior parte delle macchine CNC lavorano con materiali metallici, plastiche dure e resine. In base alla densità del materiale andrà scelta una fresa appropriata.

Sinterizzazione.

La Sinterizzazione è attualmente una delle tecnologie più avanzate per la realizzazione di prototipi.
La tecnica prevede l'utilizzo di piccole particelle solide ("polveri"), che vengono saldate tra loro mediante trattamento termico e/o meccanico , ottenendo un prodotto solido. Per la particolarità della procedura bisogna sottolineare che lo stesso prodotto non sarebbe ottenibile con altre tecniche di stampaggio. La scelta della composizione e del dosaggio delle polveri e del legante influisce in maniera importante sull'intero procedimento, determinando la qualità del risultato. La caratteristica di un componente realizzato per sinterizzazione è l'estrema durezza della superficie di lavoro, la precisione della forma, la resistenza alle sollecitazioni (nel caso di polveri metalliche), il tutto con una relativa economicità della produzione in serie.
La sua diffusione è legata ad alcune caratteristiche peculiari:
- l’utilizzo di polveri di natura diversa;
- la possibilità di ottenere prodotti cavi con altri prodotti all'interno, lasciando solo un foro per liberare il pezzo dalle polveri (ad esempio un fischietto, composto da un corpo cavo forato con una pallina interna può essere realizzato simultaneamente);
- i sottosquadra (che sono da evitare nella concezione del prodotto finale secondo le tecnologie odierne ma, nell'ottica di un possibile diretto impiego di questa tecnologia nella produzione, potrebbero aprire nuovi orizzonti alla progettazione, sia dal punto di vista estetico che tecnico).


Il processo

La sinterizzazione selettiva per mezzo di laser inizia con il deposito di un sottile strato di polvere, che fonde con il calore su una piattaforma controllata sull'asse z.
I dati Cad sono suddivisi in sezioni bidimensionali dallo spessore predefinito. Questi dati guidano il raggio laser, che disegna la sezione sulla superficie della polvere preriscaldata ad una temperatura leggermente inferiore al punto di fusione. L'energia applicata fonde la polvere solidificando la sezione in oggetto. Il raggio laser fonde solo l'area interessata.
Uno strato addizionale di polvere viene depositato, tramite rullo, sopra lo strato precedente.
Il processo viene ripetuto fino a che la parte è completata. Vengono così create parti omogenee di complessità illimitata.
La polvere nell'area di lavoro costituisce un appoggio naturale per la parte: non sono pertanto necessari ulteriori supporti e questo rappresenta un indubbio vantaggio.
Le parti costruite vengono estratte dalla camera di lavoro e viene rimossa la polvere in eccesso (che viene recuperata e torna in ciclo). Esse possono, successivamente, essere sottoposte a trattamento di verniciatura.
In linea generale, quasi ogni materiale è sinterizzabile, a condizione che le proprietà ottiche di assorbimento si possano accoppiare alle caratteristiche della radiazione emessa dal laser.

I materiali

Le polveri più comunemente usate sono polveri di poliammide, materiale plastico con caratteristiche che potremmo definire intermedie nella panoramica dei materiali plastici impiegati per la realizzazione di prodotti: in genere non troppo rigido come l'ABS e non troppo morbido come il polietilene. Esso può essere però caricato in fibra di vetro per aumentarne la resistenza nel caso il prototipo venisse utilizzato per prove realistiche.
Il Somos è invece una polvere di elastomero che permette di ottenere dei prototipi "in gomma" con caratteristiche di elasticità e resistenza elevate.
Le polveri di alluminio e quelle metalliche sono le più recenti. Per i prototipi realizzati con polveri metalliche si aggiunge al processo consueto un ulteriore fase. Un mix di polveri metalliche con resine plastiche viene sinterizzato, ottenuto il pezzo, lo si pone in una particolare camera/forno; qui viene prima fatto sublimare il materiale plastico, poi vengono colmati dal bronzo gli spazi vuoti che si creano nel pezzo: si ottiene così un prototipo interamente in metallo.
Con questa tecnologia si è già iniziata la realizzazione diretta di piccoli stampi utilizzati per materie plastiche ad iniezione.

Stereolitografia.

La stereolitografia (che letteralmente significa stampa in 3 dimensioni) costituisce una delle tecnologie più importanti e maggiormente usate di Prototipazione Rapida. Partendo da modelli progettati al CAD, permette di realizzare in tempi brevi modelli tridimensionali in resina, eliminando così la fase intermedia di produzione di stampi. La tecnica della stereolitografia coinvolge quattro differenti aspetti:

   - laser
   - ottica
   - chimica
   - informatica

Il processo inizia con la preparazione di un file 3D nel quale si prevede il posizionamento del pezzo sulla piattaforma, si generano i supporti necessari per sostenere il particolare durante la realizzazione e si procede con la divisione del prototipo lungo strati XY che rappresentano i piani di costruzione. Tramite il formato STL l’oggetto progettato con il CAD 3D verrà reso comprensibile ai software di gestione delle macchine di Prototipazione Rapida.
Fase di costruzione: è un processo di solid free form fabrication (SFFF) e pertanto il prototipo è costruito per aggiunta successiva di particelle o strati, fino ad ottenere la forma voluta (processi additivi).
Durante la fase di costruzione, il fascio laser viene focalizzato, mediante un opportuno sistema di ottica, sulla superficie della vasca contenente resina liquida fotosensibile. Il fascio laser innesca una reazione di polimerizzazione creando uno strato solido che rappresenta una sezione del prototipo. L’elevatore si abbassa di una quantità pari allo spessore di fotopolimero solidificato ed un sottile strato di resina ricopre la sezione appena costruita mediante l’ausilio di un sistema di ricopertura di precisione. Il processo riprende con la solidificazione di uno strato successivo che aderisce stabilmente alla sezione sottostante. Il processo continua fino alla completa realizzazione del prototipo, che verrà estratto dalla vasca sollevando l’elevatore.
Per ragioni di tempo di polimerizzazione, il laser non può solidificare integralmente la sezione ma si limiterà al suo profilo e ad un certo numero di linee che congiungono il perimetro interno con quello esterno. Al termine di questa fase il particolare è solidificato all’esterno ma non completamente all’interno. Essendo a questo stadio la consistenza fisica non ancora accettabile, dovrà subire un post-trattamento per completare il processo di polimerizzazione. Quest’ultimo consiste nell’esposizione del particolare ad una lampada ad ultravioletti: la durata di questo processo è legata alle dimensioni del particolare, alla complessità della geometria e al tipo di resina utilizzata. In questo modo si completa la polimerizzazione della resina liquida ancora intrappolata all’interno del pezzo.
Al temine del post-trattamento si provvede all’asportazione degli eventuali supporti ed alla finitura pezzo (verniciatura, sabbiatura o altre finiture).
La stereolitografia offre buone prestazioni dal punto di vista della precisione dei pezzi e consente di realizzare forme complesse con pareti sottili, con una buona qualità superficiale.
La definizione dei dettagli permette l’analisi tecnica, funzionale e di design del prototipo. Il pezzo realizzato in stereolitografia è particolarmente fragile e non è pertanto idoneo ad essere sottoposto a prove meccaniche.

Prototipi in silicone.

Il Vacuum Casting, o stampaggio tramite attrezzature siliconiche, è una delle tecniche più conosciute e utilizzate nella costruzione rapida di stampi flessibili che garantiscono la produzione di un limitato numero di pezzi (da 1 a 25) in un materiale che, per alcune caratteristiche fisiche, meccaniche ed estetiche, è prossimo a quello definitivo. 

Obiettivo del processo

L’ottenimento, in tempi brevi e senza la costruzione gli stampi definitivi, di una pre-serie sperimentale di un nuovo prodotto per permettere di condurre molte delle verifiche funzionali necessarie a testare il prodotto stesso.

Procedimento per la realizzazione dello stampo in resina siliconica

Si parte da un master, solitamente costruito in stereolitografia, che viene opportunamente sospeso in un contenitore. Dopo il posizionamento di sfiati e canali di colata viene ricoperto con silicone liquido precedentemente degasato. Alla fine del processo, lo stampo viene posto in un particolare forno per l’indurimento. Lo stampo viene poi tagliato in due o più parti, secondo profili irregolari, per ottenere un successivo perfetto accoppiamento per semplice graffatura. Questa attrezzatura permette di realizzare prototipi per colata sottovuoto.

Gli stampi realizzati con questo procedimento consentono di:

- ottenere particolari molto simili ai definitivi
- effettuare verifiche funzionali
- realizzare verifiche di marketing
- anticipare (in alcuni casi) l’omologazione del prodotto.

Verifiche funzionali

La possibilità di effettuare test funzionali sui prototipi non è assoluta ma limitata ad alcune caratteristiche del particolare, che potrà essere sottoposto a verifiche fisiche e chimiche. 
E’ pertanto importante stabilire, prima di produrre una pre-serie, quali aspetti del prodotto verranno testati con i prototipi.
La proprietà che più di frequente viene simulata è il modulo elastico. Si possono infatti ottenere materiali con il modulo elastico tipico dei termoplastici di produzione, come ABS, PA, PP ecc., sia tramite resine esistenti in commercio (per i termoplastici più comuni), sia formulando appositamente il poliuretano. Questa seconda ipotesi è la più seguita qualora sia necessario simulare altre proprietà, tra le quali ricordiamo la resistenza termica, la resistenza a trazione e torsione, la resistenza ad alcuni aggressivi chimici, l’autoestinguenza, la fonoassorbenza.
Solo alcune proprietà meccaniche e fisiche possono essere simulate contemporaneamente: è perciò importante stabilire a priori quali sono i test più importanti da effettuare per progettare il materiale poliuretanico che rappresenti il giusto compromesso per raggiungere gli obiettivi prefissati.
Si sono evidenziati limiti di impiego di poliuretani nell’ambito di prove distruttive, laddove ci sia la necessità di ottenere dati molto accurati su punti di rottura e limiti strutturali. In tali situazioni è spesso preferibile integrare o sostituire la fase di prototipazione tramite stampi in silicone con tecniche di rapid tooling e lavorare quindi su prototipi realizzati in materiale definitivo, con una metodologia identica a quella di produzione.
L’eccellenza del prototipo si raggiunge per quanto riguarda la capacità di simulare le caratteristiche estetiche, per forma, colore, trasparenza e finiture superficiali. Questo permette alle pre-serie da siliconi di essere impiegate per presentazioni, test di marketing, messa a punto del packaging, foto pubblicitarie, presentazioni alla stampa, ecc.
Alcuni fattori che influiscono sulla qualità estetica, dimensionale e funzionale della pre-serie sono i seguenti:
- L’usura dello stampo in silicone: a seconda del materiale e della geometria del pezzo, è possibile garantire un buon livello qualitativo per un numero di stampate che varia da 5 a 25.
- Il deterioramento degli stampi con il passare del tempo (anche quando gli stampi non vengano impiegati poiché il silicone perde elasticità e si sgretola). La vita di uno stampo è di 6 mesi max.
- I limiti dei materiali poliuretanici, le cui proprietà variano con il passare del tempo. Il prototipo nasce per essere impiegato immediatamente dopo la sua realizzazione, quando le caratteristiche tecniche e funzionali sono integre, cosa che non si può garantire con il passare del tempo, in quanto il materiale si deforma, diventa più rigido e più fragile a causa delle proprietà igroscopiche del poliuretano, del processo di reticolazione e della sensibilità ai raggi UV.

Dati tecnici

Precisione: ±0,2% con una ripetitività di 0,1% (max: ±0,2mm)
Spessore minimo delle pareti: un buon riempimento dello stampo viene assicurato con uno spessore di parete di 0,5mm. Uno spessore di 1,5mm consente di ottenere migliori risultati.
Dimensioni massime: la dimensione dello stampo è limitata dalla dimensione della macchina e dal volume dei pezzi (max 10 litri).
Materiali di colata: poliuretani ed altri materiali disponibili in tutti i colori RAL standard.
Applicazioni: inserti, pezzi costituiti da 2 materiali diversi.