Metodi di prototipazione rapida per componenti in plastica: confronto e selezione in breve

State sviluppando un nuovo prodotto contenente componenti in plastica e dovete tenere sotto controllo costi, tempi di produzione e uniformità qualitativa tra i diversi lotti? Dovreste iniziare con la stampa 3D o la lavorazione CNC per la validazione, oppure passare direttamente alla fusione sottovuoto o allo stampaggio a iniezione rapida?

Grazie a oltre 20 anni di esperienza nella prototipazione, confronteremo rapidamente sette metodi di prototipazione in plastica per aiutarvi a ridurre i tentativi ed errori.

1. Metodi di prototipazione rapida in sintesi

La tabella seguente fornisce un confronto generale per progetti tipici. Precisione, costi e tempi di consegna effettivi possono variare a seconda delle dimensioni del pezzo, della complessità strutturale, della finitura superficiale, del materiale e della capacità del fornitore.

2. Metodi di prototipazione rapida di materie plastiche per uso generale

Stampa 3D

La stampa 3D costruisce i componenti strato per strato a partire da un modello 3D, senza bisogno di uno stampo. Quando il design cambia, il modello può essere semplicemente aggiornato e ristampato, rendendo questo metodo particolarmente adatto per iterazioni rapide nelle prime fasi dello sviluppo del prodotto.

Metodi comuni di stampa 3D:

FDM: Il filamento termoplastico viene fuso ed estruso strato per strato. È relativamente economico e funziona bene per prototipi, componenti di grandi dimensioni e test di assemblaggio iniziali.

SLA o DLP: la luce viene utilizzata per polimerizzare la resina liquida. Questi processi producono superfici lisce e dettagli precisi, rendendoli adatti alla realizzazione di prototipi con un aspetto dettagliato.

SLS: Un laser fonde polvere di nylon o TPU. Non sono necessarie strutture di supporto aggiuntive, quindi è particolarmente adatto a geometrie complesse, incastri a scatto e prototipi funzionali.

MJF: Questo processo utilizza principalmente polvere di nylon. Offre un'efficienza produttiva relativamente elevata e proprietà meccaniche costanti, il che lo rende adatto per test funzionali e produzioni a basso volume.

PolyJet: Permette di realizzare modelli estremamente dettagliati con molteplici colori o combinazioni di materiali rigidi e flessibili, sebbene le prestazioni dei materiali a lungo termine siano generalmente limitate.

Materiali comuni: PLA, ABS, ASA, PETG, PA11, PA12, TPU, resine fotopolimeriche, resine simili all'ABS, simili al PP e resine ad alta temperatura, nonché materiali di stampa rinforzati con fibra di carbonio o fibra di vetro.

È importante notare che una "resina simile all'ABS" simula solo alcune proprietà dell'ABS. Non è la stessa cosa dell'ABS di qualità per stampaggio a iniezione.

Lavorazione CNC

La lavorazione CNC rimuove materiale da fogli, blocchi o barre di plastica per creare il componente desiderato. Poiché utilizza plastiche tecniche solide, è generalmente più affidabile della stampa 3D standard per quanto riguarda i test dimensionali, di resistenza e di prestazione del materiale.

Materiali comuni: ABS, PC, POM, PMMA, PA, PEEK, PE, PP, PVC e PTFE.

La lavorazione CNC è adatta per validare le proprietà reali dei materiali, ma un pezzo lavorato con CNC non è uguale a un pezzo stampato a iniezione. Anche quando si utilizza lo stesso tipo di materiale, i due processi creano tensioni interne e caratteristiche strutturali differenti.

Colata sotto vuoto

La fusione sottovuoto inizia con un modello master realizzato tramite stampa 3D o lavorazione CNC. Successivamente, dal modello master viene creato uno stampo in silicone, nel quale viene colata resina poliuretanica liquida sottovuoto. Questo metodo è utilizzato principalmente per riprodurre un numero limitato di campioni di plastica identici.

Materiali comuni:

La colata sottovuoto utilizza principalmente diverse formulazioni di resina poliuretanica, tra cui:

Resina simile all'ABS, resina simile al PC, resina simile al PP, poliuretano trasparente, poliuretano ad alta temperatura e poliuretano morbido simile alla gomma.

Questi materiali possono simulare alcune delle caratteristiche estetiche e prestazionali dell'ABS, del PC o della gomma, ma non sono veri e propri elastomeri ABS, PC o termoplastici.

Stampaggio a iniezione rapido e prototipazione

La prototipazione rapida riduce i tempi di produzione degli stampi semplificandone la struttura, diminuendo le fasi di lavorazione o utilizzando materiali come alluminio e acciaio dolce. Una volta completato lo stampo, i componenti in plastica veri e propri vengono prodotti su una pressa a iniezione.

La prototipazione rapida è il metodo utilizzato per realizzare lo stampo, mentre lo stampaggio a iniezione prototipale è il processo utilizzato per fabbricare i pezzi. I due metodi vengono solitamente utilizzati insieme.

Materiali comuni: ABS, PC, PC/ABS, PP, PE, PA, POM, PMMA, TPE, TPU, PBT, PPS, PEEK e plastiche rinforzate con fibra di vetro o ignifughe.

Il principale vantaggio dello stampaggio a iniezione di prototipi non risiede semplicemente nella possibilità di produrre un maggior numero di campioni. Consente infatti di valutare il componente utilizzando materiali per lo stampaggio a iniezione reali e in condizioni di stampaggio effettive.

3. Metodi di prototipazione per strutture di componenti specifiche

termoformatura

La termoformatura consiste nel riscaldare un foglio di plastica fino a farlo ammorbidire, per poi modellarlo mediante vuoto, pressione o forza meccanica contro uno stampo. La termoformatura sottovuoto è uno dei processi di termoformatura più comuni.

Materiali comuni: ABS, HIPS, PET, PETG, PC, PP, PE, PVC e PMMA.

Quando anche il prodotto finale verrà realizzato mediante termoformatura, un prototipo termoformato può fornire una rappresentazione utile del pezzo di produzione. Se, invece, il prodotto finale verrà stampato a iniezione, il campione termoformato potrà solo verificarne l'aspetto generale e la struttura spaziale.

4. Metodi di stampaggio per materiali specifici

Stampaggio ad iniezione di reazione

Lo stampaggio a iniezione reattiva , comunemente abbreviato in RIM, consiste nel miscelare due o più componenti liquidi a bassa viscosità e iniettarli in uno stampo, dove reagiscono chimicamente e polimerizzano.

Il processo RIM viene utilizzato principalmente per i materiali in poliuretano e non è lo stesso processo dello stampaggio a iniezione convenzionale dei termoplastici.

Materiali comuni: poliuretano rigido, poliuretano elastomerico, schiuma poliuretanica strutturale e materiali in poliuretano rinforzato.

RIM è adatto per alloggiamenti di apparecchiature, componenti automobilistici, custodie per apparecchiature mediche e grandi parti strutturali in poliuretano.

Stampaggio a compressione

Lo stampaggio a compressione prevede il posizionamento di una quantità misurata di materiale in uno stampo aperto. Lo stampo viene quindi chiuso, riscaldato e pressurizzato, provocando la fuoriuscita del materiale che riempie la cavità prima della polimerizzazione o del raffreddamento.

Viene utilizzato più comunemente per materie plastiche termoindurenti, silicone, gomma e materiali compositi rinforzati con fibre.

Materiali comuni: silicone liquido o solido, gomma naturale, EPDM, NBR, SBR, resina fenolica, resina melamminica, composti epossidici per stampaggio e compositi rinforzati con fibre come SMC e BMC.

Quando il prodotto finale verrà stampato per compressione, i prototipi realizzati con stampi a compressione rapida possono fornire utili indicazioni sul flusso del materiale, sulla formazione di bave e sul comportamento durante la polimerizzazione.

5. Come scegliere: una guida rapida alla decisione

Iniziate identificando cosa deve dimostrare il prototipo, invece di scegliere semplicemente il metodo più economico.

È possibile restringere ulteriormente le opzioni considerando i seguenti punti.

Il design continua a cambiare frequentemente?

Quando il progetto non è ancora definitivo, la stampa 3D è solitamente il punto di partenza ideale. Ogni revisione può essere realizzata senza dover creare un nuovo stampo, mantenendo bassi i costi di prova ed errore.

Hai bisogno del materiale vero e proprio?

La lavorazione CNC è adatta quando è necessario testare tecnopolimeri solidi. Quando l'obiettivo è convalidare il materiale di stampaggio a iniezione e i risultati di stampaggio effettivi, lo stampaggio a iniezione di prototipi è l'opzione migliore.

Le resine poliuretaniche e fotopolimeriche colate sottovuoto sono più adatte a simulare l'aspetto o determinate proprietà. Non possono sostituire direttamente i test con il materiale di produzione finale.

Quale processo produttivo verrà utilizzato?

Quanto più il metodo di prototipazione si avvicina al processo di produzione finale, tanto più pertinenti saranno i risultati dei test.

Se il componente finale verrà prodotto mediante termoformatura, RIM o stampaggio a compressione, idealmente il prototipo dovrebbe utilizzare lo stesso processo. In caso contrario, anche se la forma appare simile, lo spessore delle pareti , le proprietà del materiale e i difetti di stampaggio potrebbero essere completamente diversi.

Nello sviluppo di un prodotto reale, spesso si utilizzano contemporaneamente diversi processi di prototipazione. Per un cliente del settore delle apparecchiature elettroniche, abbiamo completato un progetto di contenitore, dalla progettazione alla produzione. Il progetto ha previsto un ciclo di ottimizzazione DFM (Design for Manufacturing), due cicli di prototipi stampati in 3D e un ciclo di validazione dei campioni tramite lavorazione CNC, prima di realizzare un sistema di stampaggio rapido e produrre 50 pezzi stampati a iniezione per valutare l'assemblaggio, le prestazioni dei materiali e la consistenza del lotto. L'intero processo di validazione pre-produzione è stato completato in quattro settimane , dopodiché il progetto è passato con successo alla produzione su vasta scala.