Dal produrre al progettare: il rapid prototyping. Dopo un periodo nel quale l'interesse è stato focalizzato sulla produzione, oggi molte aziende ricercano il vantaggio competitivo nei prodotti e concentrano la loro attenzione sulla progettazione. La prototipazione rapida è vista come uno strumento nuovo ed importante per migliorare l'efficacia del processo di sviluppo di nuovi prodotti. Il Rapid Prototyping è infatti una tecnologia che nasce per ridurre al minimo in un'azienda il tempo ed il costo di realizzazione di un prototipo. Fino ad ora la fase di progettazione ha comportato un costo per una piccola e media azienda compreso fra il 5 e il 10% dell'ammontare dei costi indotti che possono verificarsi in caso di progettazione errata. Nasce quindi la necessità di ridurre i tempi che intercorrono tra l'ideazione del prodotto e la sua realizzazione pratica o, meglio ancora, del suo lancio in larga serie sul mercato: ciò sia per aumentare la possibilità di sopravvivenza del prodotto, sia per gestire in chiave anticipativa la concorrenza, sia per ottenere un rapido ritorno dei costi di investimento della progettazione, sia infine per permettere alla struttura di ricerca e sviluppo di progettare il maggior numero possibile di prodotti nell'arco della sua vita creativa.   Dal concetto al modello: le applicazioni. Le aree applicative delle macchine di Rapid Prototyping coprono tutti i settori manifatturieri che debbono realizzare prodotti che comportano l'uso di stampi sia per plastiche che per metalli. Nel campo meccanico le applicazioni ideali riguardano la motoristica, la realizzazione di parti destinate a contenitori di ingranaggi, riduttori, pompe e, in generale, tutta la meccanica che fa riferimento all'impiego per macchine in grado di produrre corpi con parete sottile. Le tecniche di RP possono essere utili anche per la realizzazione di modelli di macchine utensili o sistemi di macchine utensili già disegnati al computer e, in generale, per le operazioni che richiedono la realizzazione in tempi brevi con materiali non necessariamente operativi. La costruzione di modelli con RP permette di realizzare rapidamente prototipi con tolleranze ristrette ed in seguito, dopo averli testati, ottimizzarli; riduce i problemi di comprensione tra i vari reparti; è possibile realizzare velocemente piccole serie; il tempo necessario tra il concetto iniziale del prodotto e il lancio dello stesso è ugualmente ridotto. Quali sono i passaggi che dall'idea iniziale del progettista portano alla disponibilità di un oggetto fisico? Il modello geometrico virtuale viene definito grazie ad un sistema CAD: la rappresentazione può essere sia solida che a superfici. Per realizzare questa geometria esistono tre possibili tecniche: costruzione tridimensionale, macchina di misura, fotogrammetria. Una speciale interfaccia permette la creazione di un "file" STL interpretabile da una macchina di RP. Ottenuto il modello matematico di riferimento dell'oggetto che intendiamo realizzare è possibile fornire il file in input al sistema di RP più utile ai fini delle nostre esigenze. In un tempo breve disporremo del modello desiderato o, nel caso si opti per un sistema di sinterizzazione, direttamente del pezzo funzionale pronto per i test di verifica.   Le tecnologie di RP. Sono circa venti le tecnologie di RP, differenti tra loro a seconda del tipo di pezzo da ottenere, della sua destinazione, dell'eventuale impiego di tipo prototipale o di serie. Dal punto di vista pratico le tecnologie possono essere riassunte in famiglie. La stereolitografia - È stata la prima tecnica ad essere impiegata. Consiste in una macchina costituita da una vasca contenente un polimero allo stato liquido, all'interno della quale si trova una griglia su cui vengono polimerizzati strati successivi con l'ausilio di un raggio laser U.V. controllato dalla macchina. Il difetto principale di questa tecnologia è che il pezzo ottenuto deve essere poi passato in forno per completare la catalizzazione delle resine, con il rischio di deformazioni, erosioni o variazioni dimensionali. La tecnica a laminazione LOM - La macchina si basa su un dispositivo che stende un rotolo di carta impregnata di adesivo che viene fatta aderire su un supporto. Attraverso il laser, per passaggi successivi, viene tagliato il contorno del pezzo finale da ottenere e quadrettato il volume che dovrà essere eliminato. Il difetto principale è che per ottenere pezzi cavi occorre interrompere la lavorazione per estrarre i pezzi interni. Per contro presenta il vantaggio che il pezzo ottenuto, di legno, può essere lavorato con le tecniche normalmente impiegate dagli stampisti e reso igroscopico con l'impiego di vernici spray. La tecnica a deposizione con filo plastico - Viene utilizzata una pistola termica, in grado di deporre fili molto sottili di plastica. Guidata da un plotter tridimensionale, costituisce per strati successivi l'oggetto. Ideale per creare pareti sottili, impiega molto tempo per produrre volumi consistenti di lavoro. La sinterizzazione - È la tecnica più recente e si basa su polveri di materiali diversi, ricoperte o meno di adesivi plastici o leghe metalliche basso fondenti, che vengono agglomerate strato per strato impiegando un laser. È una macchina molto costosa. Dal prototipo all'attrezzaggio rapido - La richiesta di prototipi con buone proprietà meccaniche e termiche è sempre più insistente. La tecnica di fabbricazione a strati rimane elemento chiave per produrre - in modo rapido e con il livello di dettagli necessari per prototipi funzionali - il modello o a volte lo stampo, ma ad essa si vanno affiancando numerose tecniche di fabbricazione o attrezzaggio rapido che possono rispondere alle esigenze in modo più soddisfacente e completo.   Le linee evolutive. L'introduzione di nuove tecnologie permette di migliorare il rapporto prezzo/prestazioni. Le nuove tecnologie sono orientate alla produzione rapida di stampi e forme e alle macchine a basso costo "da tavolo". Macchine per la produzione di stampi e forme - Il "rapid tooling" è l'area nella quale le aziende stanno realizzando il massimo sforzo e quindi è l'obiettivo delle nuove tecnologie. Alle tradizionali tecnologie si affiancano la produzione rapida di stampi per sinterizzazione e infiltrazione e la macchina per la formatura diretta della sabbia. Macchine da tavolo - Si tratta di un segmento di mercato coperto tradizionalmente da micromacchine a controllo numerico; oggi vi sono almeno tre macchine funzionanti con la tecnologia a "proiezione" o a "getto" che, sfruttando una nuova tecnologia, entrano in un mercato completamente nuovo.   La fabbricazione rapida. Realizzazione di piccole serie per mezzo della colata sotto vuoto - Consiste nella realizzazione di uno stampo in silicone partendo dal modello "master" con il quale si possono realizzare pezzi relativamente precisi. Si evita parte dei problemi inerenti alla fabbricazione delle materie plastiche e si possono utilizzare materiali diversi. Cera persa diretta - Il modello LOM viene rivestito a spruzzo o per immersione con materiale ceramico e poi cotto in forno. Quando il guscio ceramico è pronto, il modello LOM viene bruciato e le ceneri eliminate con appropriati lavaggi. La gamma di materiali che può essere fusa nella conchiglia ceramica ottenuta è molto ampia e per ognuno devono essere tenuti in considerazione i differenti ritiri. Cera persa indiretta - Con lo stampo del prototipo realizzato con la tecnica LOM vengono stampati i pezzi sacrificali in cera; per serie di una certa rilevanza dal prototipo LOM si possono ottenere stampi in resina, anche con superficie metallizzata, e con questi stampare i pezzi in cera persa. Fusione in sabbia di precisione - Attraverso l'uso di sabbie particolari, si ottiene la cavità in cui possono essere inserite anime in sabbia legata, anch'esse ottenute con attrezzaggi rapidi. Formatura sotto vuoto - Un foglio di materiale plastico viene riscaldato e poi fatto aderire al modello per mezzo del vuoto. Molte volte il vuoto è combinato con una pressione applicata dalla parte opposta. Stampaggio sotto vuoto - Lo stampo è costruito con silicone bicomponente, la miscela è colata in una forma che contiene il modello. Il procedimento è sotto vuoto. La gomma va indurita a circa 70°C. Stampaggio per iniezione di termoplastici - La gamma dei materiali utilizzabili è ampia. I materiali in granulo vengono riscaldati, plastificati ed iniettati in stampi consistenti. Provvedere al raffreddamento dell'attrezzatura e considerare i ritiri. Produzione di stampi direttamente con il metodo LOM - È possibile produrre uno stampo già diviso nelle sue parti. Per la tecnica LOM è del tutto indifferente utilizzare la parte o il suo stampo.   La ricerca. Le attività di ricerca si stanno espandendo in tutto il mondo. Anche in Italia le attività di ricerca stanno consolidandosi. Prove di sinterizzazione diretta di metalli - Le ricerche sono attualmente allo stadio di modelli di fattibilità: le parti sono prodotte senza automatismi e tutta l'attenzione è concentrata sul processo di sinterizzazione. Nel sistema presentato, la polvere da sinterizzare è sparata da una pistola a spruzzo sul punto illuminato dal laser. La polvere viene così sinterizzata direttamente al posto giusto. Il movimento del laser e del getto di polvere sposta in sequenza il punto di sinterizzazione in modo da costruire la forma voluta. Tecniche di placcatura locale - Sono in prova tecniche di placcatura locale utilizzando i filamenti metallici, fusi al posto giusto da fasci laser. Si può realizzare il ricoprimento selettivo, ma anche la costruzione di parti di forma qualsiasi. La sperimentazione è agli inizi ma il potenziale della tecnologia appare elevato. Piegatura di lamiere per riscaldamento locale - Un'altra tecnologia interessante, anche se ancora alle primissime prove pratiche e ricerche teoriche, prevede di realizzare la piegatura di lamiere tramite il riscaldamento localizzato con laser. È possibile realizzare curvature a due e tre dimensioni di parti come è illustrato nei primi campioni. La prototipazione di oggetti su larga scala - Shapermaker II è in grado di realizzare modelli con sezione di 135 x 270 cm con lunghezza virtualmente illimitata. I prototipi sono costituiti da strati derivanti da fogli di schiuma tecnoplastica con spessore variabile da 1/4" a 2". La precisione del prototipo è migliorata tagliando i bordi angolati di ciascun strato in modo tale che possa coincidere esattamente col fondo dello strato superiore e con il tetto dello strato sottostante. Gli strati sono quindi assemblati manualmente con un ritmo di crescita di circa 25 cm all'ora. L'obiettivo del progettista è di avere un errore inferiore al millimetro. il ritardo dell'italia. Il settore della prototipazione rapida continua a svilupparsi rapidamente nel nostro Paese: il numero delle macchine installate in Italia cresce di oltre il 30% all'anno, sono state introdotte macchine con tecnologie in parte innovative e sono in corso attività di ricerca nazionale. Tuttavia il mercato italiano è ancora in forte ritardo rispetto al resto del mondo: il numero di "attori" è molto limitato, la rete di vendita e assistenza di molti prodotti importanti è ancora carente e il numero di installazioni - solo una cinquantina su un totale di alcune centinaia di sistemi installati in Europa - è sproporzionato al peso delle nostre industrie. Le imprese che infatti dispongono di sistemi RP sono di norma i centri studi di grandi gruppi, che portano avanti propri programmi di ricerca e non sono accessibili alle PMI. I sistemi più diffusi sono quelli di stereolitografia e da circa due anni sono disponibili anche le macchine LOM. Per saturare la capacità produttiva ed in relazione ai forti investimenti iniziali molti degli utilizzatori fungono da centro servizi. Ad aggravare questo scenario è inoltre la scarsa dimestichezza delle aziende clienti del servizio con i sistemi CAD più avanzati. I gestori dei centri, quindi, sono obbligati a fornire anche la capacità progettuale a supporto delle carenze dei clienti. Anche il mercato del service è limitato: in Giappone, USA e UK le macchine in service sono circa il 30% del totale, mentre da noi questo valore è circa la metà. Tra le ragioni di questo ritardo nell'utilizzo di queste tecnologie vi sono senza dubbio cause di tipo economico, che possono essere sintetizzate in una scarsa diffusione delle conoscenze, nelle limitate dimensioni delle aziende che operano nel settore stampi, nella ridotta integrazione verticale del nostro settore industriale con conseguente forte frammentazione per tecnologie, in una certa difficoltà per le aziende, infine, ad operare in modo interdisciplinare. L'avvio di azioni di diffusione delle conoscenze e la realizzazione di iniziative per l'integrazione tra diverse aziende e diverse tecnologie per creare una "rete virtuale" con utilizzo di standard di trasmissione delle informazioni potrebbero essere due tra le azioni più utili per l'espansione del settore. Ma non possiamo tacere fattori tecnici. Nell'esaminare i potenziali di sviluppo dell'RP non si deve infatti dimenticare di osservare quelle tecnologie che possono diventare competitive o che possono integrare le funzionalità dell'RP, per garantire un miglior servizio globale alle aziende. È il caso dei "prototipi virtuali", che possono sostituire i "prototipi reali" in ambienti strutturati dove le regole di simulazione possano essere ben definite. I sistemi di simulazione della produzione, come i programmi di simulazione dello stampaggio, possono invece essere utili complementi del RP per coprire analisi non realizzabili con modelli; infine non vanno dimenticate tecnologie alternative come fresatura ad alta velocità, elettroerosione, piegatura a CN, in futuro piegatura laser della lamiera.   L'evoluzione dei mercati. Numerose sono le domande che tutti si pongono come risultato di una competizione commerciale in forte espansione connessa ad un aumento dell'attività di ricerca. Quando e quanto, cioè, le macchine RP da tavolo diverranno più economiche? Quali materiali ed attrezzature saranno utilizzabili dal consumatore medio? Chi utilizzerà questa tecnologia per la produzione personale di prodotti? E, ancora, quali altre tecnologie ed infrastrutture accessorie necessitano di evoluzione, affinché il consumatore medio possa avere un diretto accesso alla tecnologia? La risposta a queste domande ci consente di ipotizzare numerosi scenari. Il più convenzionale tra questi è che l'attuale industria dell'RP evolva, definendo una tecnologia segmentata per diversi tipi di utenza. Le attrezzature resteranno sotto controllo dei costruttori e dei grandi clienti. Un altro scenario suggerisce la nascita di un segmento che effettuerà la fornitura dei servizi attraverso una rete dei punti vendita al dettaglio, direttamente accessibili al consumatore finale in grado di generare i propri file CAD. Un terzo scenario ipotizza che le economie di scala rendano le attrezzature di RP molto economiche e semplici nell'uso tale da poterne disporre comodamente presso la propria abitazione (personal factory).   Giancarlo Raffaldi Direttore CIL Spa

Consorzio Distributori Utensili
Caponago (Milano) - tel. 02 95 74 6 081

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