Avanzamenti e prospettive applicative della prototipazione rapida

La prototipazione rapida (RPM) è una tecnologia basata sul principio della sovrapposizione strato per strato. Sovrapponendo gradualmente il modello 3D, punti, linee e superfici discrete vengono unite per formare i componenti desiderati. Rispetto ai metodi di produzione tradizionali, la RPM non richiede strumenti speciali, il processo produttivo è più semplice e la velocità è notevolmente superiore, ed è anche chiamata "produzione a forma libera".

Poiché questa tecnologia è diverse volte o addirittura decine di volte più veloce dei metodi tradizionali, è diventata la tecnologia fondamentale della prototipazione rapida. RPM ha cambiato il modo tradizionale di realizzare modelli solidi e ha notevolmente accelerato lo sviluppo e l'aggiornamento dei prodotti.

La tecnologia RPM coinvolge molti campi tecnici, come CAD, elaborazione dati, controllo numerico, rilevamento test, laser e altre tecnologie meccaniche ed elettroniche, tecnologia dei materiali e tecnologia software per computer. È l'integrazione organica e l'applicazione incrociata di varie tecnologie high-tech.

La tecnologia RPM ha buone prospettive di applicazione e valore pratico. Dipartimenti governativi, aziende, college e università e istituti di ricerca nei principali paesi industriali avanzati del mondo hanno investito molto nello sviluppo e nella ricerca della tecnologia RPM. Alcuni college e università e istituti di ricerca scientifica stanno anche conducendo ricerche e sviluppo della tecnologia RPM e hanno ottenuto risultati gratificanti e sono stati applicati con successo alla produzione di stampi.

Principali metodi e principi della tecnologia RPM

Il processo di implementazione specifico della tecnologia RPM è vario. In generale, a seconda dei diversi materiali di formatura utilizzati e dei metodi di trattamento dei materiali, possono essere riassunti nei seguenti metodi, che vengono introdotti come segue:

1. Metodo di polimerizzazione selettiva liquida

Il metodo di polimerizzazione selettiva del liquido consiste nel focalizzare il laser sulla superficie di un materiale liquido fotopolimerizzabile (come una resina fotopolimerizzabile ) per polimerizzarlo secondo una regola preimpostata, prima dal punto alla linea e poi alla superficie, per completare la costruzione di uno strato. Successivamente, si sposta la piattaforma di sollevamento a una certa distanza dallo spessore dello strato e si ricopre nuovamente uno strato di materiale liquido per costruire un altro strato. In questo modo, gli strati vengono sovrapposti fino a formare un'entità tridimensionale. I processi tipici di questo metodo includono la stereolitografia (SL-Stereolitografia, come mostrato in Figura 1), la polimerizzazione laser a rettifica solida (SGC-Solid Ground Curing) e la litografia laser (LS-Light Sculpting).

Fig 1. Diagramma schematico del processo SL (stereolitografia)

2. Metodo di aggiunta di strati

Il metodo di aggiunta di strati utilizza un laser o uno strumento per tagliare il materiale in lamina per ottenere uno strato del modello. In particolare, il bordo del processo e il contorno del bordo del prototipo vengono tagliati per primi, quindi il materiale che non appartiene al prototipo viene tagliato in una griglia. Spostando continuamente la piattaforma di sollevamento e fornendo il materiale in lamina, è possibile tagliare nuovi strati e legarli agli strati precedenti. In questo modo, è possibile formare un modello solido tridimensionale impilando strati.

Infine, i piccoli pezzi di griglia di materiale che non appartengono al prototipo vengono rimossi per ottenere il modello solido tridimensionale richiesto. Esistono molti tipi di materiali in lamina utilizzati nel metodo di aggiunta di strati, come carta patinata (carta rivestita con un rivestimento adesivo) rivestita con ceramica, lamina metallica o altre lamine basate su materiali. Il processo tipico per l'aggiunta di fette è la produzione di solidi stratificati (LOM–Laminated Object Manufacturing), come mostrato nella Figura 2.

Fig2. Diagramma schematico del processo LOM (Layered Entity Manufacturing)

3. Metodo di sinterizzazione/legame selettivo delle polveri

Il metodo di sinterizzazione/legame selettivo delle polveri utilizza una polvere speciale per formare strati con densità e planarità specifiche. La polvere viene fusa o legata selettivamente per creare uno strato integrale. La nuova polvere viene quindi distribuita sullo strato formato, compattata e sinterizzata o legata per formare lo strato successivo, fondendosi con quello precedente. Questo processo continua strato per strato per creare un oggetto 3D.

I materiali in polvere includono opzioni non metalliche come cera, policarbonato e sabbia lavata, nonché polveri metalliche come ferro, cobalto, cromo e le loro leghe. I processi tipici includono la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e la stampa 3D (3DP), come mostrato nelle Figure 3 e 4.

Fig3. Diagramma schematico del processo SLS (Selective Laser Sintering)

Fig 4. Diagramma del principio di processo della stampa 3DP (tridimensionale)

4. Metodo di stampaggio per estrusione a fusione

Il metodo di stampaggio per estrusione a fusione consiste nel fondere il materiale hot melt riscaldandolo, quindi estruderlo e spruzzarlo per accumulare uno strato di formatura, quindi formare lo strato successivo nello stesso modo e fonderlo con lo strato precedente. In questo modo, un modello solido tridimensionale viene infine formato impilando gli strati. I materiali hot melt includono ABS, cera di nylon, ecc. Il tipico processo di stampaggio per estrusione a fusione è la modellazione a deposizione fusa (FDM–Fused Deposition Modeling), come mostrato nella Figura 5.

Fig 5. Diagramma schematico del metodo di stampaggio per estrusione a fusione (FDM)

5. Metodo di stampa a getto d'inchiostro

La stampa a getto d'inchiostro consiste nello fondere il materiale solido e quindi utilizzare il principio della stampa a getto d'inchiostro per spruzzarlo in modo ordinato, impilando uno strato dopo l'altro per formare un'entità tridimensionale. Il processo tipico per la stampa a getto d'inchiostro è la stampa a getto d'inchiostro, come mostrato nella Figura 6.

Fig 6. Principio di stampa a getto d'inchiostro

6. Elaborazione digitale della luce

L'elaborazione digitale della luce (DLP) è utilizzata principalmente per la stampa 3D di resine fotopolimerizzabili. Il suo principio di funzionamento è quello di proiettare l'immagine 2D generata tagliando il modello 3D sulla resina fotosensibile strato per strato attraverso un proiettore digitale. La resina viene rapidamente polimerizzata sotto la luce per formare una struttura solida. Durante il processo di stampa, la piattaforma di stampa viene immersa nella piscina di resina. Dopo che ogni strato di polimerizzazione è completato, la piattaforma viene leggermente sollevata e ricoperta di nuovo con un nuovo strato di resina. La polimerizzazione viene ripetuta fino al completamento del modello, come mostrato nella Figura 7.

Fig 7. Schema di elaborazione della luce digitale

Tabella 1. Tabella comparativa di cinque metodi di prototipazione rapida

La tendenza di sviluppo della tecnologia RPM

La tecnologia RPM è di grande importanza nel settore manifatturiero. Questo modello di produzione si è sviluppato rapidamente sin dal suo inizio. RPM ha subito cambiamenti e miglioramenti fondamentali negli obiettivi di produzione, nelle capacità di produzione e nelle tecnologie di produzione rispetto al passato. Le prospettive di sviluppo di questa tecnologia sono molto promettenti e la tecnologia stessa continuerà a migliorare.

1. Gli obiettivi di produzione si sviluppano in modo relativamente indipendente

Dal punto di vista produttivo, la tecnologia RPM supporta la produzione rapida di prototipi concettuali, prototipi di test funzionali, stampi e parti.

I prototipi di progettazione concettuale hanno stampaggio rapido, piccole attrezzature, funzionamento affidabile e basso rumore. Esempi includono i sistemi 3DSYSTEM Actua2100 ed EOS DESKTOP200.

I prototipi di test funzionali devono soddisfare requisiti di resistenza, rigidità, temperatura, resistenza alla corrosione e precisione. Ciò richiede la ricerca di materiali speciali.

I prototipi di modelli rapidi richiedono materiali specifici e influenzano le modalità di produzione, come QuickCast di 3DSYSTEM.

La tecnologia RPM è ampiamente utilizzata anche per la produzione di stampi, come quelli a iniezione sotto vuoto, a cera persa, a fusione in sabbia e a schiuma persa.

Le parti rapide funzionali continuano a rappresentare una sfida fondamentale e un obiettivo di ricerca nell'ambito della RPM.

Fig 8. Stampo per fusione a cera persa

Fig 9. Stampo per fusione in sabbia

Sia la produzione rapida di concetti che la produzione rapida di utensili hanno un mercato e una fattibilità tecnica enormi e diventeranno il fulcro della ricerca e della commercializzazione.

A causa delle grandi differenze nelle loro caratteristiche, entrambi tenderanno a svilupparsi in modo relativamente indipendente.

I test rapidi hanno un uso limitato e caratteristiche poco chiare, quindi non si svilupperanno come direzione indipendente. Rimarranno parte della produzione di concetti rapidi.

La produzione rapida di parti funzionali sarà una direzione chiave per lo sviluppo della tecnologia RPM. Tuttavia, è complessa e probabilmente rimarrà nella fase di ricerca per molto tempo.

Fig 10. Relazione e differenza

2. Produzione su larga scala e micro-produzione

2.1 Crescita della produzione di prototipi

L'analisi delle linee di prodotto delle principali aziende mostra che le dimensioni dei prototipi stanno aumentando. A causa delle sfide nella produzione di stampi di grandi dimensioni e dei vantaggi dell'RPM nella fabbricazione di stampi, una parte significativa del mercato dell'RPM probabilmente passerà alla produzione di prototipi di grandi dimensioni in futuro.

2.2Applicazioni nel settore automobilistico

Il rapido sviluppo dell'industria automobilistica ha aumentato l'uso della prototipazione rapida su larga scala. Questa tecnologia è utilizzata principalmente per la produzione di stampi per automobili, che richiedono elevata velocità e precisione.

Con l'accelerazione del turnover dei modelli di veicoli, cresce la domanda di stampi per coperture automobilistiche più rapidi e precisi. La tecnologia di produzione rapida su larga scala soddisfa perfettamente queste esigenze.

2.3Micro-produzione con RPM

Al contrario, RPM è entrata anche nella micro-produzione. Un'area chiave è la microlitografia, in particolare nella tecnologia SL, che produce parti di dimensioni micrometriche. Il diametro del punto laser può raggiungere i 5μm e il prototipo rimane fermo durante il processo.

Il raggio laser si concentra con precisione sul prototipo attraverso una piastra trasparente. La precisione di arresto della scansione XY è di 0.25μm e la precisione di arresto Z è di 1μm. Questa tecnologia può produrre parti piccole fino a 5μm x 5μm x 3μm, come valvole venose e componenti di circuiti integrati.

2.4L'ascesa dei sistemi di produzione desktop

I sistemi di produzione desktop stanno guadagnando popolarità nello sviluppo di prodotti RPM. Sono sempre più utilizzati come periferiche per sistemi CAD per l'output di grafica 3D.

I sistemi RPM devono essere compatti ed efficienti, per poter funzionare in ufficio senza interrompere i flussi di lavoro CAD.

I sistemi RPM commerciali sono in genere grandi e richiedono condizioni ambientali specifiche e operatori specializzati. Al contrario, i sistemi desktop sono compatti, facili da usare e manutenere, generano meno rumore e inquinamento e hanno meno requisiti ambientali.

Sebbene offrano velocità di produzione più elevate, hanno una precisione leggermente inferiore. Aziende come Stratasys e SandersPrototype negli Stati Uniti hanno lanciato sistemi desktop convenienti, come Genisys3DPrinter e ModelMaker. Questi sistemi hanno rapidamente guadagnato popolarità sul mercato, evidenziando l'enorme potenziale della produzione desktop.

Fig 11. Diagramma di distribuzione della tecnologia RPM

3. Impegnarsi per raggiungere l'eccellenza nella tecnologia di produzione

La strategia delle aziende di prototipazione rapida (RPM) non è solo quella di lanciare nuovi modelli, ma anche di migliorare continuamente i processi, le attrezzature, i materiali, i software e i sistemi elettromeccanici esistenti. Il loro obiettivo è raggiungere una maggiore velocità di produzione, una maggiore precisione e una migliore affidabilità, oppure trovare un equilibrio tra questi obiettivi. Questa tendenza continuerà.

La moderna tecnologia di produzione si sta sviluppando in una direzione altamente integrata. Combina CAD (progettazione assistita da computer), elaborazione dati, controllo numerico, rilevamento di test, laser e altre tecnologie meccaniche ed elettroniche, nonché tecnologie di materiali e software per formare un nuovo modo di produzione.
Allo stesso tempo, la produzione moderna sta diventando sempre più flessibile. Il più grande vantaggio della tecnologia RPM è la sua elevata flessibilità e non si basa più su utensili speciali.

Sotto la gestione e il controllo del computer, RPM può produrre parti di qualsiasi forma complessa. Integra apparecchiature di produzione programmabili, riconfigurabili e a variazione continua con la gestione delle informazioni in un unico sistema, quindi il costo di produzione è indipendente dal lotto di produzione. Quando la forma, i requisiti o il volume di produzione di una parte cambiano, non c'è bisogno di riprogettare o produrre utensili. Basta modificare il modello CAD e regolare i parametri per produrre una nuova parte.

Fig 12. L'integrazione di diverse tecnologie

4. Installazione di periferiche e funzionamento intelligente

La tecnologia RPM si sta evolvendo verso "modelli CAD diretti per produrre rapidamente modelli 3D complessi". Alcune apparecchiature RPM negli Stati Uniti stanno diventando più semplici e facili da usare, come le periferiche dei computer. In futuro, questi sistemi saranno facili da installare e utilizzare, consentendo agli utenti comuni di iniziare senza tecnici specializzati. Anche le operazioni diventeranno più intelligenti.

Attualmente, la produzione RPM comporta molte decisioni complesse, come la progettazione della struttura di supporto, la selezione del metodo di scansione, la disposizione delle parti, la segmentazione delle parti di grandi dimensioni e le impostazioni dei parametri di processo. Queste attività solitamente richiedono professionisti. Tuttavia, con i progressi nell'intelligenza artificiale e una comprensione più approfondita della tecnologia RPM, l'intelligenza delle apparecchiature RPM consentirà presto agli utenti quotidiani di utilizzarle con facilità.

5. Standardizzazione del settore RPM e integrazione con il sistema di produzione del prodotto

5.1Mancanza di standard di settore

Vari metodi di processo RPM si sono sviluppati indipendentemente, con conseguente mancanza di standard uniformi. Questo è un aspetto inevitabile dello sviluppo di nuove tecnologie. Infatti, l'assenza di standard ha alimentato la crescita e l'innovazione di RPM.

Tuttavia, man mano che l'RPM matura in un settore a pieno titolo, è essenziale stabilire standard ragionevoli. Senza di essi, la promozione e l'applicazione dell'RPM potrebbero essere ostacolate. Attualmente, lo standard de facto nel settore dell'RPM è il formato file STL per lo scambio di dati di prodotto.

Tuttavia, molti usano anche altri tipi di file, come CLI, HPGL e DXF, rendendo la standardizzazione un problema importante. Inoltre, è probabile che la standardizzazione dei materiali e dei modelli di equipaggiamento continui ad avanzare.

5.2Esempi concreti di impatto RPM

Secondo il Rapid Prototyping Report (1996, numero 11), Whirlpool ha utilizzato con successo apparecchiature FDM per fornire un feedback rapido sulla progettazione dell'unità di illuminazione del vano frigorifero di un frigorifero. Grazie alla tecnologia FDM, Whirlpool ha ridotto di circa un anno i tempi tra la riprogettazione e la realizzazione dello stampo, rivedendo il progetto cinque volte di più rispetto ai metodi manuali. Questa riprogettazione ha permesso all'azienda di risparmiare circa 650,000 dollari.

Allo stesso modo, un'azienda statunitense di progettazione di mazze da golf, che in precedenza utilizzava l'ottone per realizzare modelli, ha scoperto che il processo richiedeva molto tempo e ha prodotto solo tre iterazioni di progettazione. Adottando una macchina LOM-1015 RPM, hanno prodotto 90 modelli in un anno. Ciò ha consentito iterazioni di progettazione più rapide a un costo inferiore, migliorando l'efficienza del processo decisionale.

5.3Integrazione di RPM con i sistemi di produzione dei prodotti

La relazione tra RPM e il più ampio sistema di produzione del prodotto è cruciale. Le domande chiave includono: come descrivere i dati RPM nel modello STEP e come integrare RPM nei sistemi di sviluppo rapido del prodotto.

Queste sfide riguardano due aspetti fondamentali:

(1)Rappresentazione e integrazione dei dati

Sviluppo di metodi standardizzati per rappresentare i dati RPM in sistemi come STEP.

(2) Il ruolo dell'RPM nello sviluppo rapido

Comprendere come la tecnologia RPM si inserisce e migliora il rapido processo di sviluppo del prodotto.

5.4 Come descrivere i dati RPM nel modello STEP

(1) Descrizione dei dati geometrici

Dati del modello 3D: i dati principali utilizzati da RPM sono solitamente un modello 3D che descrive la forma e la struttura del prodotto. Il formato STEP consente l'archiviazione completa delle informazioni geometriche e supporta la stampa 3D di RPM.
Dati delle caratteristiche: il modello STEP può salvare le caratteristiche del progetto (ad esempio fori, asole, ecc.), facilitando il processo di elaborazione della tecnologia RPM.

(2) Informazioni materiali

Le proprietà del materiale di fabbricazione possono essere descritte nel file STEP. Le informazioni sul materiale (come densità, punto di fusione, durezza, ecc.) influenzano direttamente il metodo di processo selezionato nel processo RPM (come sinterizzazione laser o estrusione a fusione).

(3) Parametri di processo

Dati del processo di produzione: la scalabilità STEP consente l'archiviazione di dati di processo correlati al processo RPM, come spessore dello strato, velocità di stampa, potenza del laser, ecc., il che è molto importante nell'esecuzione del processo di produzione.

(4) Informazioni di montaggio

L'assemblaggio multi-parte di RPM può essere gestito tramite dati modello STEP. STEP supporta la descrizione completa della struttura gerarchica dell'assemblaggio, che facilita la simulazione e la regolazione nel processo di produzione di parti complesse.

(5) Controllo di producibilità

Durante la fase di progettazione, STEP può includere dati di analisi relativi alla producibilità per garantire che le parti progettate siano adatte alla produzione tramite il processo RPM.

5.5 Come sviluppare e applicare RPM in un sistema di sviluppo rapido del prodotto

(1) Ridurre il ciclo di verifica della progettazione

La tecnologia RPM consente alle aziende di generare prototipi fisici in pochi giorni o addirittura ore. I team di progettazione dei prodotti possono testare, verificare e modificare rapidamente i progetti, accorciando notevolmente il ciclo di verifica tradizionale.

(2) Ingegneria simultanea

Integrandosi con modelli STEP-data e sistemi CAD, RPM può eseguire più iterazioni di progettazione in parallelo nelle prime fasi di sviluppo, evitando il tradizionale processo di sviluppo lineare. Ciò consente a diverse fasi di sviluppo del prodotto di procedere simultaneamente, accelerando ulteriormente il lancio del prodotto.

(3) Test del prototipo e verifica funzionale

Nel sistema di sviluppo rapido del prodotto, RPM può produrre prototipi funzionali, non solo modelli di aspetto. Ciò significa che il prodotto può superare test funzionali reali prima di entrare nella produzione di massa, riducendo il rischio di difetti di progettazione.

(4) Produzione agile e produzione in piccoli lotti

La tecnologia RPM supporta anche la produzione di piccoli lotti per test di mercato e personalizzazione personalizzata, particolarmente adatta per la promozione iniziale di prodotti innovativi. In un ambiente di produzione agile, RPM consente alle aziende di adattare rapidamente i design dei prodotti in base al feedback del mercato.

(5) Progettazione collaborativa e cooperazione tra team

Nel moderno sistema di sviluppo, la combinazione del modello STEP e RPM facilita la progettazione collaborativa globale. Progettisti, ingegneri e team di produzione possono condividere dati e aggiornare i progressi di progettazione in tempo reale, ottimizzando così il processo di produzione e riducendo il tasso di errore.

(6) Efficacia dei costi

Riducendo i collegamenti intermedi quali la modifica del progetto, la produzione degli utensili e la produzione degli stampi, l'RPM rende il processo di sviluppo più economico, soprattutto nella fase iniziale.

Conclusione

Con il continuo progresso della tecnologia di prototipazione rapida, è diventata una parte indispensabile della produzione moderna. Dalla progettazione alla produzione, questa tecnologia ha portato enormi miglioramenti dell'efficienza in tutti gli ambiti della vita.

Diversi metodi tecnici RPM forniscono diverse opzioni per diverse esigenze e aree di applicazione, promuovendo lo sviluppo della produzione di stampi e di altri settori correlati. Guardando al futuro, la tecnologia di prototipazione rapida continuerà a svilupparsi nella direzione di una maggiore precisione, una scala più ampia e un'applicazione più ampia, aiutando l'industria manifatturiera a inaugurare un'era più intelligente e flessibile.