Materiali per la prototipazione rapida: tipologie, vantaggi e guida alla selezione

Materiali per la prototipazione rapida

La base delle prestazioni di un prototipo è il materiale giusto. Prototipazione rapida Consente di convertire rapidamente un progetto digitale in un componente fisico, ma l'utilizzo di materiali di prototipazione rapida inadatti può compromettere il processo di validazione e causare costose rilavorazioni. 

Tra i materiali disponibili figurano metalli, plastica, resine, ceramica, materiali compositi, biomateriali, cera, carta e polveri. Gli ingegneri li utilizzano per sviluppare modelli visivi e funzionali prima della produzione su vasta scala. I produttori che vogliono rispettare le scadenze e offrire valore ai clienti non possono permettersi un prototipo che non rappresenti fedelmente il componente desiderato o che ceda al minimo carico. 

Dai compositi rigidi alle plastiche lavorabili, ogni materiale per la prototipazione rapida è adatto a una fase specifica del processo di sviluppo del prodotto. Il materiale giusto non solo favorisce le iterazioni di progettazione e aiuta a controllare i costi, ma suscita anche l'interesse degli stakeholder. 

Grazie alla descrizione dettagliata dei materiali fornita in questa guida, potrai conoscere le opzioni, i vantaggi e i limiti di ciascuna categoria. Questo ti aiuterà a scegliere il materiale più adatto per la prototipazione del tuo prossimo progetto. 

Cos'è la prototipazione rapida?

La prototipazione rapida è una tecnica di produzione che converte rapidamente un progetto digitale in un componente fisico. Questa tecnica evita i tempi di consegna e i costi associati alla realizzazione di stampi tradizionali. 

Nella sua essenza, la prototipazione rapida si compone di cinque fasi;

Fasi di prototipazione rapida

Tra i processi di prototipazione rapida più diffusi figurano la lavorazione della lamiera, la lavorazione CNC, la stampa 3D e lo stampaggio a iniezione con attrezzature a basso costo. I produttori utilizzano modelli visivi e funzionali, ottenuti tramite prototipazione rapida, per testare forma, adattamento e funzionalità. Questo è un passaggio importante prima della produzione su vasta scala. 

Vantaggi della prototipazione rapida

La prototipazione rapida colma il divario tra un'idea e un prodotto fisico. I vantaggi commerciali che ne derivano includono velocità di immissione sul mercato, efficienza dei costi, qualità, test e validazione, personalizzazione, sostenibilità e una migliore comunicazione.

Prototipi in metallo

I tre metalli più comunemente utilizzati nella prototipazione rapida sono alluminio, acciaio inossidabile e titanio. Prototipazione in metallo offre vantaggi quali resistenza al calore, durata e robustezza. 

Ecco come ciascuno di questi metalli per la prototipazione rapida si inserisce nei progetti. 

Prototipi in metallo di alluminio 

Tra i motivi per cui l'alluminio è una delle migliori scelte come materiale per la prototipazione rapida vi sono l'eccellente lavorabilità, il costo relativamente basso, la resistenza alla corrosione e un elevato rapporto resistenza-peso fino a 1.8.3]

Prototipo in alluminio

Gli ingegneri si affidano spesso a profilati di alluminio estrusi prodotti secondo gli standard ASTM B221 per ottenere tolleranze dimensionali e prestazioni meccaniche costanti.2]

Prototipi in metallo di acciaio inossidabile

I prototipi in acciaio inossidabile vengono utilizzati quando il componente deve resistere alla corrosione, a sollecitazioni meccaniche ripetute e, in generale, a condizioni difficili. Data la maggiore resistenza dell'acciaio inossidabile, è prevedibile una maggiore usura degli utensili e tempi di lavorazione più lunghi. 

Prototipi in metallo di titanio 

Questi prototipi metallici offrono prestazioni ineguagliabili rispetto ad altri metalli in termini di biocompatibilità, resistenza alla corrosione e rapporto resistenza-peso. Le applicazioni più comuni per questi prototipi metallici si trovano nei settori aerospaziale e medicale.

prototipo medico in titanio

Poiché il titanio è relativamente lento da lavorare e costoso, è comprensibile che venga utilizzato principalmente per prototipi finalizzati alla validazione. I prototipi in fase iniziale sono realizzati meglio con materiali meno pregiati, più economici e più facili da lavorare. 

Prototipazione plastica

Le cinque opzioni più utilizzate in prototipazione di prodotti in plastica sono policarbonato (PC), poli(metil metacrilato) (PMMA), acrilonitrile butadiene stirene (ABS), polipropilene (PP) e polistirene (PS).4]

I materiali plastici sono i più comuni nella prototipazione rapida per due motivi: la disponibilità in diverse tipologie e la facilità di lavorazione. 

Prototipazione in plastica policarbonato (PC)

Una delle proprietà più importanti del PC è l'eccellente resistenza agli urti. Oltre a ciò, il materiale è naturalmente trasparente e offre prestazioni eccezionali con un ampio intervallo di temperatura di esercizio (da -30 °C a 120 °C).5]

Prototipazione in plastica di poli(metilmetacrilato) (PMMA)

Si tratta di un materiale acrilico simile al vetro, spesso utilizzato in sostituzione del vetro nella prototipazione in plastica. Possiede un'eccellente trasparenza ottica. Pur essendo potenzialmente più fragile del policarbonato (PC), la sua buona resistenza agli agenti atmosferici e ai raggi UV lo rende comunque adatto alla prototipazione rapida all'aperto. 

Prototipazione in plastica acrilonitrile butadiene stirene (ABS)

Prototipo in plastica ABS

L'ABS è uno dei materiali preferiti dai produttori per i prototipi funzionali grazie alla sua notevole lavorabilità, resistenza e convenienza. Come il policarbonato (PC), l'ABS presenta una buona resistenza agli urti. Questo materiale a basso costo è anche facile da lavorare e stampare in 3D. A ciò si aggiunge una finitura superficiale uniforme. 

Prototipazione in plastica di polipropilene (PP)

Il polipropilene possiede un'elevata resistenza alla fatica, necessaria per la realizzazione di componenti a incastro e cerniere flessibili. La sua buona resistenza chimica è inoltre importante nella prototipazione rapida di parti destinate ad ambienti difficili. Una delle criticità di questa plastica risiede nella minore stabilità dimensionale rispetto al policarbonato (PC) o all'ABS. 

Prototipazione in plastica di polistirene (PS)

Grazie al suo rapporto costo-efficacia e alla facilità di lavorazione, il PS è un materiale perfetto per i prototipi nelle prime fasi di sviluppo. La sua fragilità, tuttavia, ne preclude l'utilizzo in applicazioni di validazione meccanica. Gli ingegneri preferiscono invece impiegarlo in progetti che richiedono precisione di forma e adattamento. 

Proprietà tipiche delle plastiche comunemente utilizzate nella prototipazione

La tabella seguente evidenzia le proprietà tipiche delle plastiche comunemente utilizzate nella prototipazione. 

[4]

Resine per la prototipazione rapida

Le resine offrono tolleranze ristrette e finiture superficiali di alta qualità che metalli o plastiche non possono eguagliare. Sia tramite DLP che SLA, i motivi specifici per cui un produttore potrebbe optare per le resine nella prototipazione rapida sono:

• Requisiti per modelli visivi dettagliati
• Elevata precisione dimensionale e finitura superficiale di alta qualità.
• Requisiti per formulazioni speciali: standard, flessibili, colabili e altre

Tuttavia, le resine utilizzate per la prototipazione rapida non sono adatte alla realizzazione di prototipi funzionali a causa della loro sensibilità ai raggi UV e della loro fragilità.

Ceramiche per la prototipazione rapida

I materiali ceramici si prestano benissimo alla realizzazione di prototipi quando il progetto deve soddisfare requisiti di isolamento e resistenza al calore estremo. Il limite di temperatura è superiore a quello che la maggior parte delle plastiche o dei metalli possono sopportare. 

I prototipi in ceramica non sono la soluzione migliore se si cerca la resistenza meccanica. 

Prototipo in ceramica

Materiali compositi per la prototipazione rapida

I materiali compositi sono resistenti e rigidi, ma non sono pesanti come il metallo massiccio. Le opzioni per prototipazione in fibra di carbonio Altre applicazioni di prototipazione rapida includono miscele di carbonio tritato/poliuretano, nylon rinforzato con fibra di carbonio e polimeri caricati con microsfere di vetro/fibra di vetro;

• Miscele di carbone tritato/poliuretano
• Nylon rinforzato con fibra di carbonio
• Polimeri rinforzati con microsfere di vetro/fibre di vetro

Prototipazione in fibra di carbonio è particolarmente indicato per prototipi leggeri e ad alta resistenza. 

Biomateriali per la prototipazione rapida

I biomateriali stanno guadagnando sempre più terreno nella prototipazione rapida. Il principale vantaggio di questi materiali per la prototipazione rapida è la riduzione dell'impatto ambientale. 

Alcune caratteristiche dei biomateriali nella prototipazione rapida:

• Ideale per modelli concettuali
• Minore impatto ambientale rispetto alle plastiche derivate dal petrolio.
• Scarsa resistenza meccanica e termica 

Esempi di biomateriali sono il PA e il PLA di origine biologica. 

Cera per la prototipazione rapida

La cera è un materiale indispensabile per la produzione di modelli per microfusione. I motivi principali per cui è un materiale così apprezzato nella prototipazione rapida sono la sua capacità di bruciare in modo pulito e l'eccellente finitura superficiale che fornisce. Tuttavia, la fragilità della cera ne rende inadatto il materiale per la realizzazione di prototipi funzionali. Siamo però tutti d'accordo sul fatto che permetta di produrre rapidamente componenti in metallo fuso. 

Carta e polvere per la prototipazione rapida

Il ruolo di questo materiale nella prototipazione rapida è limitato, ma è comunque presente. Rappresenta un mezzo rapido ed economico per realizzare modelli visivi per le prime fasi di prototipazione. Poiché la resistenza meccanica di tali modelli è limitata, non sono adatti per la realizzazione di prototipi funzionali.

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Vantaggi e svantaggi dei materiali per la prototipazione rapida 

La tabella seguente evidenzia i vantaggi e gli svantaggi della prototipazione rapida per i diversi materiali, che vanno dall'elevata resistenza contro l'alto costo per i metalli, al minore impatto ambientale contro la bassa resistenza per i biomateriali. 

Considerazioni da tenere presenti nella scelta dei materiali per la prototipazione rapida 

Nella fase di prototipazione, è opportuno valutare i seguenti fattori: velocità, funzionalità, costo, finitura superficiale, esposizione ambientale e sollecitazioni meccaniche.  

• Velocità – La velocità di approvvigionamento, lavorazione, stampa o stampaggio a iniezione di un materiale è uno dei fattori determinanti per il numero di iterazioni di progettazione che un team può eseguire.  
• Funzionalità – Per quanto l'aspetto del prototipo sia fondamentale, il materiale deve anche replicare le prestazioni effettive del componente una volta completata la produzione. 
• Costo – I costi dei materiali e della lavorazione dovrebbero rispecchiare lo scopo del prototipo. L'utilizzo di un materiale di qualità industriale nella fase di prototipazione è in genere superfluo. 
• Finitura di superficie – Alcuni prototipi potrebbero richiedere un aspetto simile a quello del prodotto finale, mentre altri no. Se il revisore o la parte interessata richiede il prototipo, è meglio insistere sull'utilizzo di materiali che possano garantire una finitura superficiale identica. 
• Esposizione ambientale – Le condizioni reali sono caratterizzate da sostanze chimiche, umidità, salinità e altri fattori simili. Il materiale del prototipo dovrebbe essere in grado di resistere a queste condizioni, ove applicabile. 

Le condizioni ambientali sono importanti

• Sollecitazioni meccaniche – L'utilizzo effettivo di un prototipo implica l'esposizione a forze meccaniche. Il materiale per un prototipo funzionale deve essere adatto a questi requisiti. 

Selezione dei materiali per la prototipazione rapida in base allo scopo: un'analisi tabellare

La tabella seguente evidenzia i materiali consigliati per la prototipazione rapida in base allo scopo previsto. 

*Se i vostri componenti richiedono sia la validazione meccanica che termica, scegliete il policarbonato (PC) o il titanio al posto di materiali monouso. 

Processi di prototipazione per diversi materiali

I processi principali che determinano la velocità e il costo di un prototipo sono la lavorazione CNC, lo stampaggio a iniezione, la stampa 3D e la lavorazione della lamiera. Ma come si integrano questi metodi con i materiali per la prototipazione rapida?  

Lavorazione CNC

La lavorazione CNC è un metodo affidabile per la lavorazione di materiali per la prototipazione rapida grazie alla sua elevata compatibilità con un'ampia gamma di materiali. È inoltre relativamente veloce, il che si adatta perfettamente ai requisiti di velocità richiesti dalla prototipazione. 

Le fasi di prototipazione tramite lavorazione CNC sono le seguenti:

• Fase 1: Ideazione del progetto
• Fase 2Produzione di file 3D
• Fase 3Identificazione dello specifico processo CNC: tornitura, fresatura, foratura, ecc.
• Fase 4Programmazione CNC
• Fase 5: Prototipazione 
• Fase 6: Test 

Prototipazione CNC

Stampaggio a iniezione 

Lo stampaggio a iniezione è un metodo di validazione per i componenti in plastica destinati alla produzione su larga scala. Viene utilizzato principalmente per testare le prestazioni di stampaggio e la qualità dei materiali di produzione. La realizzazione di prototipi di attrezzature non è solitamente costosa quanto quella di attrezzature per la produzione in serie. Può essere realizzata in alluminio. 

Stampa 3D

La stampa 3D è interessante per la sua velocità e la capacità di gestire geometrie complesse senza bisogno di attrezzature specifiche. È adatta a un'ampia gamma di plastiche, materiali compositi e resine. Sebbene alcuni componenti stampati in 3D possano raggiungere prestazioni meccaniche di livello industriale, i produttori in genere optano per la stampa 3D per scopi di prototipazione rapida. 

Fabbricazione della lamiera

Fabbricazione di lamiere

La lavorazione della lamiera nella prototipazione è utile per componenti come involucri, pannelli e staffe. Come nella produzione del pezzo finale, vengono utilizzati processi come il taglio e la piegatura. 

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Tendenze future per i materiali di prototipazione rapida 

Il divario tra prototipo e parte finale si sta riducendo, grazie ai progressi nella scienza dei materiali. Resine flessibili, plastiche biodegradabili, compositi moderni e Design più leggeri e prototipi resistenti caratterizzano la nuova generazione di materiali per la prototipazione rapida. 

• Resine flessibili – La stampa DLP e SLA sono caratterizzate da fragilità, ma i moderni tipi di resine sono più flessibili. 
• Plastiche biodegradabili – Con la crescente pressione per la sostenibilità, nella produzione si stanno rendendo disponibili plastiche biodegradabili più resistenti e termoresistenti. 
• Compositi moderni – La differenza tra prototipi e componenti di produzione è ora minore grazie alle moderne formulazioni di polimeri caricati e rinforzati con fibre. 
• Design più leggeri e prototipi resistenti – In generale, i materiali per la prototipazione rapida si stanno rivelando sempre più adatti ai test funzionali, con una crescente diffusione di progetti più robusti e con un rapporto resistenza-peso superiore.

Conclusione 

Il materiale utilizzato può determinare l'aspetto e le prestazioni del prototipo. La velocità di iterazione e la somiglianza con il pezzo finale sono strettamente legate a questa scelta. Alluminio, acciaio inossidabile e altri metalli forniscono la resistenza meccanica necessaria per i prototipi funzionali. Le materie plastiche come PS e ABS offrono una combinazione unica di lavorabilità ed economicità. Gli ingegneri si rivolgono a resine e materiali compositi, rispettivamente, per progetti di alta precisione e per applicazioni specialistiche. 

In sostanza, esistono molte opzioni e bisogna far sì che la funzione del prototipo corrisponda alla scelta del materiale. Mentre pianifichi la transizione da un'idea a una parte, il nostro servizi di prototipazione rapida Offriamo la consulenza necessaria per la scelta dei materiali e altro ancora. Carica il file di progetto e riceverai un preventivo gratuito entro 24 ore. 

Risorse 

[1]https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

[2]https://store.astm.org/b0221m-13.html

[3]https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

[4]https://kunststoff-profi.de/en/materials/

[5]https://www.directplastics.co.uk/data-sheets