Tutto quello che c’è da sapere sulla prototipazione rapida con la stampa 3D

Nella nostra società lo sviluppo di nuovi prodotti è essenziale per permettere alle aziende di restare sempre competitive nel mercato. Per creare nuovi prodotti è essenziale quindi affidarsi ad approcci innovativi per trasformare una semplice idea un progetto concreto e realizzabile. La prototipazione rapida, conosciuta anche come Rapid Prototyping (RP), è uno strumento potentissimo in questo senso, che permette di sprigionare la creatività dei designer e migliorare l’efficienza di un prodotto. Si tratta di una metodologia che rivoluziona quelli che sono i processi di progettazione tradizionale, consentendo una rapida iterazione e verifica delle idee attraverso la creazione di prototipi fisici reali. In questo modo, progettisti e ingegneri riescono ad ottenere un feedback prezioso fin dalle prime fasi e implementare rapidamente delle migliorie, ottenendo un prodotto finale migliore e, di conseguenza, una maggiore soddisfazione degli utenti. Di seguito, approfondiamo il mondo della prototipazione rapida, concentrandoci in particolare sulla sua applicazione nell’ambito della stampa 3D.

Che cosa è la prototipazione rapida? È un processo che implica tipicamente l’uso della stampa 3D e che consente di realizzare in tempi brevi modelli fisici a partire da progetti digitali. Si tratta di versioni preliminari del prodotto finale, ancora prive delle caratteristiche definitive. Questi prototipi permettono di testare, valutare e perfezionare il design in ogni fase dello sviluppo, facilitando eventuali modifiche basate sui risultati ottenuti con il modello fisico. Il primo utilizzo della prototipazione rapida coincide con la diffusione della produzione additiva all’inizio degli anni Ottanta. Inizialmente utilizzata per l’attrezzaggio rapido e per la prototipazione in ambienti industriali come i settori automobilistico e aerospaziale, i continui e significativi miglioramenti della tecnologia di stampa 3D hanno permesso alla prototipazione rapida di diventare più accessibile e conveniente per una più ampia gamma di settori e applicazioni. Attualmente, la prototipazione rapida ha rinnovato significativamente il settore della stampa 3D ed è largamente apprezzata per la sua flessibilità ed efficienza nello sviluppo dei prodotti, favorendo numerosi progressi in diversi settori.

Come funziona la prototipazione rapida

Come tutti i processi di stampa 3D, la prototipazione rapida realizzata con tecnologie additive inizia con una prima fase di creazione del progetto digitale servendosi di un software CAD. Una volta ultimato, il progetto viene inviato alla stampante 3D, che può stampare il prototipo utilizzando termoplastiche, resine, metalli o materiali compositi. In questo modo si ottiene un modello stampato in 3D che rispecchia in maniera fedele e funzionale il pezzo finale previsto dal progetto. Il vantaggio principale per cui ci si affida alla prototipazione rapida è che in questo modo i progettisti possono testare le loro idee in modo non solo veloce, ma anche efficiente e approfondito.

Per la prototipazione rapida è possibile scegliere tra diversi processi di stampa 3D, ciascuno con vantaggi specifici in termini di estetica, proprietà dei materiali e funzionalità. La selezione del metodo più adatto richiede un’attenta valutazione dei compromessi legati a ogni tecnologia, al fine di garantire che le sue caratteristiche siano in linea con le esigenze e gli obiettivi del progetto.

Tra queste tecnologie, la modellazione a deposizione fusa (FDM) è quella maggiormente adottata per la prototipazione rapida, nonostante offra una risoluzione e un’accuratezza relativamente inferiori rispetto ad altre tecniche di stampa 3D per materiali come la plastica. Questa tecnologia non è adatta alla riproduzione di progetti aventi geometrie particolarmente intricate. La stereolitografia (SLA) è spesso preferita per i prototipi che richiedono un’elevata estetica. Tuttavia, la gamma di materiali compatibili con questa tecnologia è limitata e, inoltre, adoperare la SLA richiede uno uso massiccio delle tecniche di post-processing. La sinterizzazione laser selettiva (SLS) permette di ottenere stampe rapide, di alta qualità aventi parti funzionali. Tuttavia, come per la SLA, i materiali che possono essere usati con la SLS sono limitati. La tecnologia Multi Jet Fusion consente di realizzare prototipi non solo caratterizzati da un’elevata precisione nei dettagli, ma anche composti da materiali diversi, offrendo così soluzioni versatili sia dal punto di vista estetico che funzionale. In questo caso, il costo della prototipazione è molto più elevato.

Sebbene sia meno diffuso, è possibile realizzare prototipi anche servendosi della stampa 3D per metalli. Ad esempio, la Direct Energy Deposition (DED) è una tecnologia utilizzata maggiormente nell’industria e quindi può richiedere dei costi più elevati, ma permette di creare dei modelli metallici semifiniti. Questa caratteristica può renderla una scelta interessante per la prototipazione in alcune applicazioni, anche se questo non è l’uso principale della tecnologia. Analogamente, la Laser Powder Bed Fusion permette di creare parti robuste e funzionali, ma con un costo del materiale elevato e un volume di produzione limitato.

Tipi di prototipi

Ma quali sono i tipi di prototipi realizzabili con la prototipazione rapida? Quelli che vengono definiti come prototipi a bassa fedeltà, meglio conosciuti come Proof of Concept (POC), rappresentano la fase primordiale della prototipazione. Questi prototipi servono per ricreare le caratteristiche funzionali della parte, senza tenere in alcun conto l’aspetto visivo. Sebbene l’estetica o l’esperienza dell’utente non siano rilevanti questa fase, tuttavia, la velocità e l’economicità della stampa 3D possono comunque essere vantaggiose per la creazione di questi prototipi POC. È qui che la stampa 3D FDM non solo è molto apprezzata, ma è anche estremamente utile.

I prototipi visivi, noti anche come prototipi estetici, come si può intuire dal loro nome, danno più importanza all’estetica che alla funzionalità. Questi modelli servono per ricreare l’aspetto e la sensazione tattile di un prodotto, per analizzarne la forma, le dimensioni, il colore e la struttura della superficie. Spesso si ricorre a tecnologie che si servono della fotopolimerizzazione, come SLA e DPL, o al Material Jetting.

I prototipi funzionali, invece, servono per verificare la funzionalità di un modello, senza badare alla sua estetica. I progettisti utilizzano questi prototipi per testare le singole caratteristiche del modello, una alla volta. In questo modo possono verificare se le singole funzioni della parte siano efficienti prima di incorporarle nel prodotto finale. Per questo tipo di prototipo può essere utile servirsi delle tecnologie SLS o LPBF.

Infine, i prototipi ingegneristici  permettono la realizzazione del prodotto finale, che nasce dall’integrazione dei risultati ottenuti dai test effettuati con i prototipi precedenti. Questi prototipi delle parti finite possono servire ed essere utilizzati con diversi scopi, tra cui mostrare il modello ai clienti e agli investitori e stabilire partnership con rivenditori e produttori.

Le applicazioni industriali

La versatilità della prototipazione rapida si estende a un ampio ventaglio di settori, ognuno dei quali sfrutta il processo per semplificare lo sviluppo e migliorare l’innovazione dei prodotti. In settori ad alte prestazioni e ad alto rendimento come quello aerospaziale e automobilistico, la prototipazione rapida svolge un ruolo cruciale nella progettazione e nel collaudo di componenti complessi.

Gli ingegneri aerospaziali ne fanno ampio uso per sviluppare componenti dalle geometrie complesse e dal peso contenuto, come le pale delle turbine, i bordi d’attacco delle ali e varie parti dei satelliti, che devono essere sottoposte a numerosi test. Ciò consente di valutare le prestazioni, la durata e l’aerodinamicità del modello finale in situazioni reali. Allo stesso modo, le case automobilistiche sfruttano la prototipazione rapida per sviluppare e testare prototipi di parti di automobili come ingranaggi, componenti del motore e pannelli aerodinamici della carrozzeria, consentendo delle migliorie rapide prima di procedere alla produzione in serie.

Questo tipo di processo ha rivoluzionato anche il settore medico, consentendo la creazione di impianti e protesi personalizzate che si adattano alle esigenze dei singoli pazienti. Ad esempio, i chirurghi possono sfruttare questo processo per stampare in 3D innesti ossei personalizzati che corrispondono all’anatomia unica di un paziente o apportare modifiche alle protesi per facilitarne l’integrazione con il corpo. Inoltre, la prototipazione rapida consente lo sviluppo di dispositivi medici complessi, tra cui strumenti chirurgici e modelli anatomici specifici per il paziente, fondamentali per le simulazioni di addestramento e le procedure chirurgiche dal vivo.

Con la crescente popolarità della prototipazione rapida, il suo utilizzo è andato oltre le applicazioni industriali e mediche. Nel settore della moda e della gioielleria, i designer si rivolgono sempre più spesso alla prototipazione rapida per migliorare le loro capacità creative e realizzare in modo più efficace i loro progetti. Come gli ingegneri aerospaziali e automobilistici, questi designer sfruttano i vantaggi della velocità della prototipazione rapida. Ciò consente loro di creare facilmente variazioni di capi per stare al passo con l’evoluzione delle tendenze e soddisfare le esigenze di diversi segmenti di clientela senza dover incorrere in lunghe modifiche.

I vantaggi della prototipazione rapida

La prototipazione rapida offre diversi vantaggi che possono migliorare significativamente il processo di sviluppo del prodotto. Uno dei vantaggi più evidenti è la capacità di incrementare la velocità e l’efficienza del flusso di lavoro, in quanto può accelerare notevolmente il ciclo di sviluppo. Quando designer e ingegneri si rivolgono alla stampa 3D, possono utilizzare il processo di prototipazione rapida per tradurre rapidamente i loro progetti digitali in prototipi fisici, riducendo il tempo necessario per portare un prodotto dall’idea al mercato. Questa significativa riduzione dei tempi di produzione consente alle aziende di aumentare la loro competitività e flessibilità, permettendo una risposta più rapida alle evoluzioni del mercato e alle esigenze dei consumatori.

Inoltre, la prototipazione rapida supporta un processo di progettazione iterativo, permettendo di sperimentare rapidamente diverse idee e varianti progettuali, riducendo notevolmente i tempi di sviluppo. In passato, lo sviluppo di un prodotto richiedeva di attendere la realizzazione del prodotto finale prima di poter raccogliere feedback significativi dagli utenti, con il rischio di incorrere in ritardi e costose rielaborazioni. A differenza dei metodi di produzione tradizionali, la prototipazione rapida, quando abbinata alla stampa 3D, consente di apportare immediatamente delle modifiche alle parti in base ai risultati ottenuti dai test precedenti. Dunque, la prototipazione rapida offre un processo di progettazione che favorisce l’innovazione e il perfezionamento del prodotto, poiché una maggiore e più consapevole sperimentazione di geometrie, funzionalità e materiali diversi può ottimizzare esponenzialmente il pezzo finale.

Conoscevi già la prototipazione rapida con la stampa 3D e i suoi vantaggi? Lascia un commento sui nostri canali social Facebook, Linkedin e YouTube! Non dimenticare di iscriverti alla nostra Newsletter settimanale per ricevere tutte le notizie sulla stampa 3D direttamente nella tua casella di posta!

*Crediti per la foto di copertina: Formlabs