Prototipazione e finitura, meglio se è la stessa azienda a occuparsene

I servizi secondari, quali la verifica delle dimensioni o la finitura di superficie, acquisiscono un’importanza sempre maggiore nella prototipazione. E il fatto che tali servizi possano essere offerti dallo stesso fornitore che si occupa di realizzare i componenti stessi, costituisce un vantaggio notevole per i progettisti.

di Stephen Dyson *
* Special Operations Manager, Protolabs Europe

Per i prodotti di recente sviluppo, siano fabbricati in quantità elevate o in volumi ridotti per finalità di test, il materiale e la qualità dei componenti deve sempre aderire ai più alti standard per risultare in linea con le specifiche del progetto. Che si tratti di beni di consumo o prodotti industriali (dai bicchieri di plastica alle parti destinate al settore ferroviario), qualsiasi componente viene sempre sottoposto a verifiche rigorose e a rilavorazione, ove necessario. Al fine di evitare la produzione di prototipi inefficaci, le aziende specializzate nella produzione di pezzi in volumi ridotti devono necessariamente attenersi a vari requisiti durante l’intero processo di fabbricazione. Per evitare di incorrere in errori e costose procedure di rilavorazione è indispensabile assicurare la massima precisione in qualsiasi momento, tanto nella fase di produzione che in quella di controllo della qualità.

Scelta del materiale e tolleranze dimensionali: la base per una qualità soddisfacente

Per realizzare un prototipo, la scelta del materiale e del processo di fabbricazione sono due passaggi chiave. Si tratta di decisioni fondamentali che decreteranno la qualità e il successo dell’intera iniziativa; e non ci riferiamo solo alla produzione del prototipo iniziale, ma anche alla qualità della finitura e agli altri processi successivi. A seconda del processo di lavorazione scelta sarà infatti lecito aspettarsi tolleranze dimensionali diverse, mentre il ventaglio di materiali disponibili dipenderà dalle offerte dei diversi fornitori. Poter contare su un’ampia selezione di materiali aumenta le possibilità di produzione dei prototipi. Ad esempio, il rame presenta tutta una serie di vantaggi quando è utilizzato per la stampa 3D rispetto alla lavorazione CNC: oltre alle differenze in termini di tolleranze dimensionali, il processo di fabbricazione prevederà maggiore libertà sul design del componente: le geometrie realizzabili mediante fabbricazione additiva non possono sempre essere ottenute con processi quali lo stampaggio a iniezione o la lavorazione CNC. A seconda del processo selezionato, sarà opportuno considerare non solo le tolleranze dimensionali dettate dal materiale, ma anche quelle determinate dalla modalità di fabbricazione. Nel decidere quale materiale utilizzare per la creazione di un prototipo, è dunque essenziale conoscere le tolleranze di lavorazione previste. Nei casi in cui sia disponibile un’ampia gamma di materiali, un’analisi di fattibilità automatizzata può aiutare i progettisti a individuare l’opzione più adatta.

I servizi di misurazione e di collaudo sono essenziali per garantire una qualità elevata

Una volta selezionati i materiali e identificati i processi di fabbricazione più idonei, sarà possibile passare alla fase di lavorazione secondaria. Nel caso della fabbricazione additiva, ad esempio, occorrerà asportare in un secondo momento le strutture di supporto necessarie per assicurare la stabilità del componente durante la produzione. Le lavorazioni secondarie sono indispensabili anche nel caso di altri processi di fabbricazione, nonché per i pezzi che richiedono una specifica finitura estetica. Una volta ultimata la fase di lavorazione iniziale – che serve a garantire che i pezzi o prototipi realizzati corrispondano esattamente alle dimensioni del modello originale – è indispensabile prevedere una serie di attività di misurazione e collaudo allo scopo di garantire livelli di qualità costanti. E poiché tali operazioni sono ormai diventate una parte irrinunciabile del processo di realizzazione di prototipi, è importante che le aziende di produzione provvedano ad ampliare il proprio portafoglio di servizi. Le dimensioni dei prototipi devono infatti risultare del tutto conformi alle specifiche, specie quando questi sono destinati a collaudo nel contesto reale di applicazione del componente. In alcuni casi, anche differenze all’apparenza insignificanti possono generare errori o compromettere l’usabilità stessa del prototipo. Proprio per questo, i laboratori interni di metrologia di Protolabs sono diventati una delle tappe più importanti nell’ambito dei nostri servizi secondari per la produzione di prototipi. La tecnologia di scansione a laser 3D e le macchine di misurazione delle coordinate sono particolarmente utili per l’ispezione dei componenti. Le macchine di misurazione delle coordinate sfruttano una sonda che provvede a rilevare diversi punti di test sul prototipo tridimensionale, per poi produrre misurazioni precise della geometria fisica dell’oggetto esaminato. Tale sistema permette di individuare facilmente qualsiasi scostamento in corrispondenza dei punti di misurazione rispetto al file CAD originale, con una precisione volumetrica fino a 2,1 + 0,4 L/100 µm. La tecnologia di scansione a laser 3D produce invece un’immagine del prototipo sotto forma di mappa 3D a colori, la quale potrà quindi essere confrontata con il file CAD originale. Lo scanner a laser 3D offre una precisione di 0,01 mm + 0,025 mm/m a seconda della dimensione del componente. Lo scanner avanza di pochi micrometri alla volta, con incrementi di 0,025 mm per ogni metro supplementare del componente.

Test in contesti di utilizzo reali in vista di successive rilavorazioni

L’applicazione di finiture superficiali è una parte essenziale del processo di fabbricazione, che si tratti di pezzi in plastica o metallo. Nell’eventualità in cui i prototipi o pezzi funzionali siano esposti a contesti di utilizzo ostili (ad esempio in una fase avanzata del ciclo di vita del prodotto), è importante assicurare che questi siano in grado di preservare una funzionalità ottimale anche se sottoposti a stress duraturi. Le superfici di pezzi metallici dovranno dunque presentare una resistenza adeguata a sopportare contesti ostili, evitando la formazione di ossidazione o la comparsa di crepe da distorsione dovute alle fluttuazioni di temperatura: la scelta del materiale è particolarmente importante per prevenire la formazione di crepe mentre il modo migliore per evitare l’ossidazione consiste nell’accrescere la resistenza delle superfici mediante processi di lavorazione secondaria come l’ossidazione anodica (o anodizzazione). Tale lavorazione favorisce la formazione di uno strato di ossido sulla superficie del metallo, introducendo una barriera efficace contro l’ossidazione e conferendo al pezzo una finitura esteticamente migliore.

I servizi secondari offerti da uno stesso fornitore offrono numerosi vantaggi ai progettisti

Poiché le tre tecnologie di produzione di cui abbiamo parlato (stampa 3D, lavorazione CNC e stampaggio a iniezione) sono processi altamente specializzati, non sorprende constatare che sono rare le aziende capaci di offrire servizi di prototipazione, misurazione e collaudo e post-trattamento delle superfici. Eppure, poter contare su un unico fornitore a cui rivolgersi per ottenere tutti questi servizi interconnessi può tradursi in un notevole risparmio di tempo e denaro. E questi sono entrambi fattori decisivi nella realizzazione di prototipi. Supponiamo, ad esempio, che la fabbricazione di una nuova ruota dentata sia affidata a uno specialista della lavorazione CNC, per poi essere inviata a due fornitori diversi che si occuperanno rispettivamente dei trattamenti di lavorazione secondari e dei processi di misurazione. L’intero processo richiederà inevitabilmente tempistiche notevoli. Diversamente, se tutti questi processi fossero curati da uno stesso fornitore, il progettista potrebbe ricevere il prodotto finito in tempi molto più rapidi, con un notevole vantaggio. È consigliabile dunque dedicare la giusta attenzione alla scelta del partner di fabbricazione, ed è sempre meglio ottenere informazioni dettagliate sull’offerta di servizi secondari già dalle fasi iniziali del processo di selezione. Dopotutto, perché perdere tempo se l’intero processo di realizzazione del prototipo può essere curato da uno stesso fornitore?