Passare dalla produzione additiva allo stampaggio a iniezione
La precisione e la ripetibilità della stampa 3D di livello industriale hanno reso la produzione additiva un processo efficace e accurato per la prototipazione funzionale. Allo stesso tempo, lo stampaggio a iniezione di materie plastiche è da tempo un metodo affidabile ed efficiente in termini di costi e tempi per produrre pezzi per grandi serie di decine di migliaia e oltre.
Di conseguenza, ingegneri, progettisti e sviluppatori di prodotti hanno scoperto che questi due processi funzionano bene insieme nel ciclo di vita di un prodotto, iniziando con la mitigazione dei rischi di progettazione della prototipazione con stampa 3D e passando poi al metodo di produzione dello stampaggio a iniezione per aumentare i volumi. Per milioni di progetti di parti nel corso degli anni, questa è stata una combinazione vincente.
In Protolabs, gli esempi abbondano in diversi settori, tra cui quello aerospaziale e della difesa e quello delle tecnologie mediche.
Va notato che esistono diversi processi di stampa 3D in grado di realizzare parti di produzione completamente funzionali. La sinterizzazione laser diretta dei metalli, ad esempio, utilizza una serie di metalli per produrre parti di uso finale. La sinterizzazione laser selettiva, che utilizza materiali a base di nylon, può creare parti finali molto resistenti. Anche la Multi Jet Fusion viene utilizzata per produrre parti finali in nylon.
Detto questo, il passaggio dai prototipi stampati in 3D allo stampaggio a iniezione dei pezzi finali rimane un'opzione frequentemente utilizzata, soprattutto, come detto, perché lo stampaggio è un modo più efficiente in termini di costi e di tempo per produrre pezzi in grandi quantità.
Quando si sceglie questa opzione, occorre tenere conto di una serie di considerazioni specifiche sulla progettazione. Questo articolo offre consigli per affrontare questo cambiamento:
- Definire una parte prima di progettare una parte
- Utilizzo di più prototipi
- Manovra di stampaggio
- Scegliere i materiali
- Ridurre i costi e le tempistiche
Mitigazione del rischio di progettazione: Definire una parte prima di progettarla
La prototipazione con la stampa 3D o la manifattura additiva si basa sulla riduzione dei rischi di progettazione: Cercare di migliorare il design di una parte; esaminare i potenziali rischi per la forma, l'adattamento e la funzione di una parte; provare e vagliare una varietà di concetti di design; e fare attenzione a non mettersi in un angolo non tenendo conto della producibilità della parte. In effetti, con la stampa 3D ci sono poche regole o limitazioni che possono creare problemi durante la creazione di un pezzo. Ma progettare un pezzo stampabile è un'altra storia. La funzione influisce sulla forma per qualsiasi tipo di pezzo, ma con i pezzi in plastica in particolare, influisce anche sulla finitura e persino sul design dello stampo che li modella.
È qui che entra in gioco la nostra piattaforma digitale automatizzata di preventivazione. Quest'analisi è particolarmente importante se si prevede che il pezzo sarà stampato, o almeno prodotto in quantità maggiori rispetto alla semplice fase di prototipazione. Per le parti stampate in 3D, si ottiene un preventivo immediato con prezzi interattivi basati su materiale, risoluzione e finitura. Inoltre, è sempre possibile ottenere un feedback sul progetto da parte di uno dei nostri ingegneri di produzione additiva interni. Per le parti stampate, si ottiene un preventivo interattivo online entro poche ore, oltre all'analisi DFM e ai prezzi in tempo reale basati su quantità, finitura e tempi di consegna.
Ma torniamo ad alcuni esempi di riduzione del rischio. Nell'industria automobilistica, il progetto di un componente per il motore di un SUV dovrà probabilmente sopravvivere all'esposizione a calore e umidità elevati. Ciò determinerà scelte fondamentali come il materiale da utilizzare e il metodo di produzione da scegliere. Potrebbe essere necessario utilizzare la sinterizzazione laser selettiva (SLS), un processo di stampa 3D in grado di produrre parti di produzione funzionali, o forse richiedere parti stampate o lavorate. Oppure, mettiamo che un'azienda del settore medicale stia prototipando un nuovo strumento chirurgico portatile. In questo caso, un prototipo stampato in 3D sarebbe uno strumento che potrebbe funzionare bene in uno studio medico o in una clinica per dimostrazioni di vendita e test di utilità.
In questa fase iniziale di front-end, il consiglio migliore è quello di utilizzare principi di progettazione validi e solidi per aiutare a definire una parte prima di progettare una parte. Il che porta alla sezione successiva: il ruolo dei prototipi iterativi o multipli.
La prototipazione multipla aiuta a determinare un metodo di produzione
Come già detto, la creazione di un pezzo con la produzione additiva è soggetta a poche regole o limitazioni. Questa è una benedizione e una maledizione. È una sfida soprattutto quando i progettisti vogliono passare da un progetto prototipato stampato a parti stampate o a un altro metodo di produzione. Perché? Nel caso dello stampaggio, non sono gradite le sezioni trasversali spesse, le sporgenze, il flusso che gira intorno a un'anima e la lavorazione a maglia, le geometrie complesse, i canali o le camere interne, le geometrie organiche e così via. In altre parole, il fatto che qualcosa possa essere stampato in 3D non significa necessariamente che possa essere stampato.
Di conseguenza, la quotazione incrociata, ovvero la quotazione attraverso o rispetto a più processi, insieme alla prototipazione iterativa, può essere un utile processo di verifica della progettazione di un pezzo. L'esecuzione in parallelo di questo processo aiuterà a capire se il pezzo sarà funzionale e quindi come potrebbe essere convertito con successo alla fase successiva, a un metodo che consenta una produzione in volumi più elevati, che si tratti di stampaggio, fusione, lavorazione meccanica, fabbricazione di lamiere o altro processo. Questa multi-prototipazione vi aiuterà probabilmente a capire anche il prezzo e i tempi.
Nel caso dello stampaggio a iniezione, si incontrano più restrizioni su ciò che può o non può essere stampato, perché se lo stampo non può essere prodotto, il pezzo non può essere prodotto. Per lo stampaggio a iniezione, sarà necessario utilizzare o aggiungere molte tecniche ed elementi di stampaggio (si veda la sezione successiva su Manovre di stampaggio).
Un esempio di questo processo a più voci nell'industria aerospaziale si è verificato con il drone quadcopter della Lockheed Martin (vedi riquadro a lato). Il progettista del progetto, Miguel Perez, ingegnere della Lockheed Martin, ha lavorato con il sistema di quotazione automatica dell'analisi DFM di Protolabs, che lo ha guidato attraverso varie iterazioni di pezzi e alla fine lo ha portato a passare dalla prototipazione con la stampa 3D alla prototipazione e alla produzione di bassi volumi con lo stampaggio a iniezione.
Perez inviava un modello non modificato al sistema di quotazione e riceveva un feedback, ad esempio su come le metà dello stampo avrebbero potuto funzionare, sui tiri laterali suggeriti e sulle caratteristiche che non potevano essere stampate. Perez avrebbe quindi utilizzato queste informazioni per trasformare il pezzo stampato in 3D in più parti di interfaccia stampabili che avrebbero mantenuto l'intento progettuale. Poi ripresenta le parti modificate e ottiene un ulteriore feedback dal sistema di quotazione su come potrebbe essere realizzato lo stampo, mostrandogli, ad esempio, dove potrebbe aver trascurato le bozze necessarie nelle direzioni appropriate.
Un esempio per il settore medicale è il test di verifica che la stampa 3D fornisce per una parte come un Luer lock, che si avvita e si inserisce all'estremità delle siringhe. Ci sono alcuni modi per stampare queste chiusure per risparmiare sui costi, ma i progetti possono essere prima convalidati con la stampa 3D, assicurandosi che si chiuda abbastanza per creare una tenuta, ad esempio, prima di ritenere che funzioni abbastanza bene da passare allo stampaggio.
In definitiva, a seconda del pezzo da progettare, i test e l'utilizzo di più prototipi possono aiutare a verificare se qualcosa funziona e ad acquisire maggiore fiducia in un prototipo prima di passare allo stampaggio.
Passare allo Stampaggio a Iniezione
Per passare dai prototipi stampati ai pezzi stampati, è necessario prendere in considerazione e, se opportuno, applicare una serie di metodi di progettazione dello stampaggio. Le due tecniche principali sono lo spessore uniforme delle pareti e il draft, ma ce ne sono anche altre. Ecco una breve panoramica:
Spessore uniforme delle pareti. Il mantenimento di uno spessore uniforme delle pareti è probabilmente il requisito di progettazione più importante per ottenere buoni pezzi stampati. Uno spessore uniforme delle pareti consente alla plastica fusa di riempire lo stampo in modo uniforme, evitando così di creare pezzi con deformazioni, avvallamenti, linee di maglia sottili o altri difetti.
Sformo. L'aggiunta di un tiraggio o di una pendenza alle pareti verticali di un pezzo facilita l'estrazione o la rimozione del pezzo dallo stampo. La regola principale è quella di applicare una pendenza di 1 grado per ogni pollice di profondità della cavità dello stampo.
Raggi. Utilizza raggi o angoli arrotondati per migliorare il flusso della plastica nello stampo e l'integrità del pezzo. Gli angoli vivi aumentano le sollecitazioni sul pezzo e ostacolano il flusso della plastica fusa (resina).
Nervature, tasselli, rampe. L'inserimento di nervature e tasselli di sostegno può aumentare la resistenza delle parti strutturali e contribuire a eliminare deformazioni, avvallamenti e vuoti. Le nervature dovrebbero essere pari al 40-60% dello spessore della parete adiacente. L'inserimento di rampe piuttosto che di gradini taglienti può ridurre le sollecitazioni negli spostamenti tra le porzioni di parete più spesse e quelle più sottili.
Elementi sporgenti. Progettando una parete più sottile su un raccordo o un elemento di montaggio che riceverà una vite, si eliminano gli avvallamenti e i vuoti.
Per maggiori dettagli sulle linee guida per la progettazione dello stampaggio a iniezione, comprese le raccomandazioni sulle dimensioni dei pezzi e sui materiali, consulta le nostre linee guida per lo stampaggio a iniezione di materie plastiche, che includono le dimensioni massime, gli elenchi delle materie plastiche e delle finiture superficiali comunemente utilizzate e le opzioni di finitura secondaria; le linee guida per la progettazione della gomma siliconica liquida (LSR); le linee guida per il sovrastampaggio e il costampaggio con inseri metallici.
Considerazioni sui materiali per lo stampaggio a iniezione
Le due grandi categorie di materiali plastici sono i termoplastici e i termoindurenti (ad esempio LSR). La scelta di un materiale si basa su una serie di considerazioni. Le proprietà meccaniche, fisiche, termiche ed elettriche del materiale sono importanti. La producibilità è essenziale, come le caratteristiche delle resine (materiali plastici nella loro forma grezza), compresa la resistenza alla deformazione durante il raffreddamento e la capacità di riempire le piccole caratteristiche di uno stampo. A seconda della funzione del pezzo, anche l'aspetto estetico può essere importante. Il costo del materiale è un'altra questione. Possono esserci anche altre considerazioni speciali, come la necessità di ottenere le certificazioni FDA o UL.
Ridurre i costi e le tempistiche
I costi e i budget complessivi, così come i tempi e le scadenze, sono certamente considerazioni fondamentali. In alcuni casi si può pensare che sia proprio il costo a influenzare lo sviluppo di un pezzo o di un prodotto. Tuttavia, utilizzando metodi di produzione più accessibili, come lo stampaggio, è possibile contenere i costi.
In questo senso, anche una scadenza incombente può sembrare un fattore determinante. Tuttavia, grazie ai metodi di fabbricazione digitale che possono accelerare lo sviluppo del prodotto, la prototipazione e la produzione di parti e prodotti possono essere drasticamente ridotte.
Gus Breiland è ingegnere tecnico senior presso Protolabs in Minnesota.
Eric Utley è ingegnere applicativo presso Protolabs in North Carolina.