Ridefinire la prototipazione: come accelerare i cicli di sviluppo dei prodotti con la stampa 3D

Alla scoperta di come la stampa 3D accelera la prototipazione e i cicli di sviluppo dei prodotti, amplificando efficienza e innovazione  

Per molte aziende la stampa 3D è già diventata parte integrante della prototipazione nella fase di sviluppo del prodotto. Perché? Per il semplice fatto che nessun’altra tecnologia di manifattura digitale consente agli utenti di trasformare progetti 3D in componenti fisici con il minimo dispendio di tempo e di energie.

La prototipazione tramite stampa 3D permette infatti agli ingegneri di realizzare parti sperimentali nel giro di poche ore. Inoltre, possono farlo senza dover ricorrere ad attrezzature costose e, in molti casi, senza la necessità di dispositivi di protezione individuale, di un ambiente di laboratorio dedicato o di operatori esperti.

Nel presente articolo si illustra il modo in cui le tecnologie di stampa 3D possono accelerare i cicli di sviluppo dei prodotti semplificando il processo di prototipazione.

L’importanza della prototipazione rapida

Con il termine prototipazione rapida si indica un insieme di tecniche di produzione che possono essere impiegate per realizzare prototipi a partire da file CAD in tempi brevi. Tale forma di prototipazione ha avuto un grande impatto sullo sviluppo dei prodotti, sostituendo in molti settori le tecniche tradizionali e manuali come la scultura.

Tra i vantaggi della prototipazione rapida vi sono:

• Iterazione rapida di differenti progetti e accelerazione del time-to-market;

• Fabbricazione non supervisionata di prototipi che richiedono un impegno manuale minimo;

• Semplicità di perfezionamento dei progetti esistenti con l’uso di software CAD;

• Nessuna necessità di attrezzature o stampi costosi, per cui è possibile produrre progetti unici senza costi aggiuntivi.  

Benché la prototipazione rapida sia talvolta usata come sinonimo di stampa 3D, essa può includere processi non additivi come la lavorazione CNC e lo stampaggio a iniezione (per esempio quando è abbinata al tooling rapido di stampi in alluminio a basso costo). Tuttavia, le tecnologie di stampa 3D per i prototipi hanno un ruolo predominante nell’ambito della prototipazione rapida, grazie alla loro velocità e al basso costo per pezzo.

Migliorare la prototipazione con le tecnologie di stampa 3D

La prototipazione tramite stampa 3D si rivela utile per molti ingegneri perché consente una fabbricazione rapida, un elevato livello di libertà di progettazione, la flessibilità in termini di materiali e bassi costi unitari anche per lotti molto piccoli, dal momento che non è necessario il tooling.

Il principale vantaggio in materia di prototipazione è rappresentato dai tempi di realizzazione ridotti. Sebbene il processo di deposizione del materiale sia lento - le parti stampate in genere richiedono ore per formarsi, anziché i secondi necessari per uno stampaggio a iniezione - non è necessaria praticamente alcuna preparazione. Non è necessario fabbricare stampi in modo accurato, né montare i pezzi su un piano macchina. L’immediatezza del processo contribuisce anche ai suoi bassi costi operativi.

Altro grande vantaggio della stampa 3D è l’assenza di vincoli di progettazione. I pezzi stampati a iniezione devono essere caratterizzati da pareti sottili e uniformi, mentre quelli realizzati a macchina sono limitati dall’accesso agli utensili da taglio. Ma la stampa 3D, a seconda della tecnologia impiegata, permette di ottenere un’estrema complessità geometrica, sia interna che esterna.

Inoltre, la stampa 3D è adatta alla prototipazione perché alcune delle sue limitazioni principali, come la resistenza dei pezzi e le imperfezioni superficiali, hanno un impatto minore sui prototipi rispetto ai pezzi finali.

Casi di studio e applicazioni nel mondo reale

Nel 2024, la maggior parte dei casi di studio di alto profilo sulla stampa 3D riguarderà la produzione di parti per uso finale, in quanto i fornitori di hardware per la stampa 3D cercheranno di promuovere le proprie soluzioni più avanzate e in grado di generare profitti per la produzione di grandi lotti di parti.  

Tuttavia, la prototipazione resta un settore molto importante della stampa 3D, in particolare per quanto riguarda le tecnologie di stampa plastica come l’estrusione di materiali e la fotopolimerizzazione.

Per esempio, nel settore automobilistico, l’azienda coreana Hankook - uno dei maggiori produttori di pneumatici al mondo - utilizza le stampanti a resina di 3D Systems per la prototipazione di parti complesse per il suo “pneumatico non pneumatico” i-Flex (NPT). Hankook ha reso noto che “lo scopo principale dell’utilizzo della stampa 3D è quello di comunicare meglio con il reparto di ricerca e sviluppo prima di realizzare lo stampo vero e proprio per la produzione del pneumatico”.

In ambito medico, l’azienda di apparecchiature sanitarie DePuy Synthes, con sede nel Massachusetts, utilizza le stampanti 3D a metallo EOS DMLS per la prototipazione di strumenti chirurgici in metallo come piegatori di placche, estrattori, viti chirurgiche, morsetti e dispositivi di riduzione. Secondo DePuy, l’azienda produce circa 2.000 prototipi di strumenti per la chirurgia spinale all’anno.  

Sfide e considerazioni

Le tecnologie di stampa 3D per la prototipazione presentano molti vantaggi, ma includono anche limitazioni che ne impediscono l’efficacia in determinate situazioni.

Tra le sfide della prototipazione con la stampa 3D figurano:

• Mancanza di fedeltà tra il prototipo e il componente finale, soprattutto quando la parte finale è realizzata con un processo non additivo come lo stampaggio a iniezione o la fusione;

• Debolezza di alcuni prototipi stampati per i test funzionali a causa di anisotropia, porosità, etc.;

• Gamma limitata di materiali con determinati processi (ad esempio, SLS).

I futuri trend della stampa 3D per la prototipazione

La prototipazione con la stampa 3D continuerà diffondersi nel prossimo decennio, nonostante i fornitori di hardware si stiano concentrando su sistemi pronti per la produzione di parti finali. Gli sviluppi in questo settore si tradurranno in macchine più veloci, volumi di produzione maggiori per la stampa in serie dei prototipi e nuove possibilità per quanto riguarda i materiali che avvicineranno i prototipi, per natura e prestazioni, alle parti finali.

Conclusioni

Indipendentemente dal fatto che un’azienda opti per un sistema di prototipazione interno o si avvalga di un partner per realizzare i propri progetti in tempi rapidi, la prototipazione con la stampa 3D è un metodo veloce, economico e flessibile per la creazione di componenti sperimentali.