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6 modi per ridurre i costi e ottimizzare i modelli con la stampa 3D industriale

La fabbricazione additiva può aiutare a ridurre i costi delle fasi di prototipazione e produzione in volumi ridotti. Basta saperla utilizzare.

La maggior parte degli ingegneri e progettisti acquisisce conoscenze solide in fatto di stampa 3D nel corso delle rispettive carriere. Denominata anche “fabbricazione additiva”, la stampa 3D è un concetto che ingloba un ampio ventaglio di tecnologie, tra cui la modellazione a deposizione fusa (FDM) per la creazione di prototipi plastici, i processi di polimerizzazione laser per la realizzazione di pezzi a partire da resine fotopolimerizzabili e la fusione a letto di polvere che permette di creare componenti metallici e plastici a totale compattazione.

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Ecco la DMLS in azione con la macchina che sinterizza ogni strato. Il processo viene ripetuto per ciascuno strato fino alla completa realizzazione del modello.

Questi servizi hanno tutti il grande potenziale di ridurre i costi della prototipazione. In particolare, due di queste tecnologie, la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) e la sinterizzazione laser selettiva (SLS), aiutano a tagliare i costi rendendo più celere la produzione, e ridurre gli scarti e fabbricare pezzi resistenti ma caratterizzati da peso contenuto. SLS e DMLS occupano un ruolo di primo piano anche per le migliaia di aziende che ricorrono alla stampa 3D per la realizzazione di pezzi finali. Gli esempi non mancano:

  • Juno, il veicolo spaziale fabbricato da Lockheed Martin e attualmente in orbita attorno a Giove, è dotato di una decina di staffe di sostegno con guida d’onda realizzate mediante stampa 3D.
  • Activated Research Company ha utilizzato la DMLS per sviluppare un design rinnovato del microreattore catalitico per gascromatografia “Polyarc”, riuscendo a introdurlo sul mercato in soli 15 mesi.
  • Raytheon ricorre alla stampa 3D per fabbricare componenti destinati a propulsori per razzi, alette aerodinamiche e sistemi di controllo per missili guidati, realizzando i pezzi nel giro di poche ore (non giorni).
  • Nel 2016, Boeing ha stabilito un record mondiale fabbricando il più grande componente mai realizzato con stampa 3D, ovvero un dispositivo di fissaggio adoperato nella costruzione del velivolo 777. Il ricorso alla stampa 3D ha permesso all’azienda di accorciare di settimane le tempistiche di realizzazione del pezzo.
  • Brunswick Corporation si è servita della stampa 3D per fabbricare le griglie di ventilazione installate sugli yacht Sea Ray, eliminando la necessità di ricorrere a stampi monouso o a sviluppare in fretta e furia componenti ad hoc.
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Questa griglia è stata fabbricata da Proto Labs per gli impianti di condizionamento di tre imbarcazioni di lusso Sea Ray, prodotte da Brunswick Corporation.

In tutte queste circostanze, le aziende sono riuscite a massimizzare la funzionalità, ridurre il peso dei componenti o abbassare i costi di fabbricazione. Riportiamo di seguito le sei considerazioni di progettazione che hanno permesso di conseguire tali vantaggi:

1. Ottimizzare i progetti

Le parti realizzate con stampa 3D correttamente progettate si rifanno a molti dei principi comuni ai pezzi stampati a iniezione, ovvero: introdurre transizioni graduali tra superfici adiacenti; eliminare le differenze sostanziali tra sezione trasversale e volume del pezzo; evitare di introdurre spigoli vivi che spesso creano sollecitazioni residue nel pezzo finito e fare in modo che le pareti sottili e prive di sostegno non risultino troppo alte per evitare il rischio di fessurazione o deformazione. Inoltre, le superfici con angoli ottusi tendono a introdurre irregolarità quali scalinature che possono compromettere l’aspetto estetico del pezzo. Meglio quindi appiattirle dove possibile.

2. Rifiutare le convenzioni

I progetti di stampa 3D meglio riusciti sfruttano la capacità del processo di introdurre le cosiddette forme “organiche”, quali reticoli e matrici complesse. Non abbiate timore di utilizzare forme come queste se servono a creare componenti più leggeri e resistenti. Anche l’introduzione di fori (e tanti) è una pratica che può aiutare a ottimizzare il modello. Nei processi di fabbricazione tradizionali, la realizzazione di fori su blocchi solidi di materiale ha l’effetto di aumentare i costi e i residui. Nel mondo della fabbricazione additiva, al contrario, l’introduzione di fori significa ridurre la polvere e i tempi di elaborazione. Ricordate che, nella stampa 3D, i fori non devono necessariamente essere di forma rotonda. Spesso, un foro ellittico, esagonale o di forma “libera” non solo risulta più indicato alla tipologia del pezzo, ma è anche più facile da stampare.

3. Considerare anche le fasi successive del ciclo

La possibilità di introdurre forature in quantità, però, non significa che questa sia una strada percorribile in ogni circostanza, specie laddove lo stesso pezzo debba essere realizzato in volumi elevati. L’estrema flessibilità offerta dalla stampa 3D può infatti essere fonte di ulteriori complicanze se non si prendono in considerazione i processi che saranno adoperati nella fase successiva alla prototipazione. Sulla base degli esempi presentati in apertura, è ormai evidente che le società che scelgono di adoperare la stampa 3D per la fabbricazione di pezzi finali siano sempre più numerose; ma è anche vero che, in molti casi, l’aumento dei volumi di produzione renderà conveniente il passaggio a tecniche quali lavorazione, stampaggio o fusione. Ecco perché è importante eseguire un’analisi di fattibilità nelle fasi preliminari del ciclo di progettazione: per garantire una produzione conveniente ed efficiente durante l’intero ciclo di vita del pezzo.

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Alcuni pezzi realizzati con DMLS richiedono finiture manuali, come mostrato in figura. Una progettazione intelligente dei modelli può aiutare a ridurre eventuali operazioni secondarie che rischiano di far lievitare i costi e i tempi di fabbricazione.
4. Evitare le operazioni secondarie

I pezzi plastici realizzati mediante SLS non richiedono l’impiego di strutture di supporto durante il processo di costruzione. Il post-trattamento, di solito, si limita quindi a goffratura, verniciatura, alesatura e filettatura dei fori, nonché alla lavorazione dei dettagli critici. La DMLS, d’altra parte, implica spesso l’utilizzo di strutture di supporto simili a impalcature per sostenere e controllare alcune geometrie del pezzo di metallo ed evitare il rischio di arricciatura e deformazione. Ciò è vero soprattutto per le forme sporgenti (come le forme a T), le quali richiedono l’introduzione di supporti sotto le braccia che dovranno successivamente essere eliminati mediante lavorazione o fresatura, provocando quindi un incremento dei costi e delle tempistiche di produzione. Un discorso simile (anche se meno problematico) si applica anche alla stereolitografia, in cui i supporti in resina polimerizzata possono essere facilmente rimossi con una smerigliatrice manuale e della carta abrasiva. Ove possibile, Proto Labs provvederà a ottimizzare l’orientamento del pezzo al fine di ridurre le sporgenze e altre caratteristiche problematiche, ma i progettisti possono contribuire riducendone l’utilizzo.

5. Attenzione alle tolleranze

Progettisti e ingegneri dovrebbero anche evitare di prevedere tolleranze troppo rigorose per i propri pezzi, poiché ciò potrebbe richiederne la fabbricazione utilizzando strati più sottili di materiale (con conseguente impatto su costi e tempi di produzione), rendendo necessarie anche operazioni secondarie per soddisfare dimensioni di stampa troppo scrupolose. Inoltre, il vantaggio della stampa 3D di ridurre il numero dei componenti di un unico pezzo elimina il bisogno di fare aderire perfettamente varie superfici combacianti, il che costituisce un altro esempio di come questa tecnologia possa ridurre i costi di fabbricazione.

6. Guardare al quadro d’insieme

Fabbricare pezzi con stampa 3D può anche avere un costo elevato all’inizio, ma è bene non lasciarsi intimorire. La fabbricazione additiva permette infatti di ridurre il numero di componenti necessari per realizzare un unico pezzo, contenere il peso e massimizzare al tempo stesso l’integrità strutturale, abbassare i costi di assemblaggio, introdurre passaggi interni per fini di raffreddamento o cablatura o altre caratteristiche altrimenti irrealizzabili con i metodi convenzionali. Ricordate anche che la stampa 3D non richiede l’impiego di elementi di fissaggio, stampi o altri tipi di utensileria, permettendo di eliminare i costi non direttamente associati al prezzo del componente. Guardare unicamente al costo di fabbricazione, ignorando la funzionalità e il quadro di insieme, vi porterà presto a dover reiterare la progettazione del medesimo componente, eliminando le opportunità di ridurre le spese di realizzazione complessive.

Per maggiori informazioni sulla stampa 3D, consultate il white paper “Tecnologie di Stampa 3D per attività di prototipazione e produzione”.

Come sempre, vi invitiamo a contattarci per qualsiasi domanda al numero +39 0321 381211 o all'indirizzo customerservice@protolabs.it. Per iniziare oggi stesso il vostro prossimo progetto, non dovete fare altro che caricare un modello 3D sul portale www.protolabs.it e ottenere in poche ore un preventivo interattivo.

Fonti: Proto Labs, Concept Laser Corp., EOS. Inc.

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