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Prototipazione 3D: una panoramica sulla stampa di prototipi 3D

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HITOP / Blog / <a href="https://hitopindustrial.com/it/stampa-prototipi-3d/" title="Prototipazione 3D: una panoramica sulla stampa di prototipi 3D">Prototipazione 3D: una panoramica sulla stampa di prototipi 3D

Sono finiti i giorni dei modelli fatti a mano. Oggi, se stai cercando di conquistare potenziali investitori, clienti o manager, hai bisogno di un prototipo o modello tangibile per mostrare la fattibilità e la funzionalità del prodotto. Ciò può essere soddisfatto utilizzando Stampa 3D per lo sviluppo del prototipo. Niente può battere il valore di presentazione e l'attrattiva di un prodotto più di un prototipo 3D. È facile da realizzare, conveniente e offre numerosi altri vantaggi. 

Ecco una panoramica della tecnica di produzione per te. 

Cos’è la stampa di prototipi 3D?

Prototipazione 3D o produzione di additivi è un potente strumento per la prototipazione e l'innovazione. Il processo aiuta a creare modelli fisici di oggetti tridimensionali ed è ampiamente utilizzato per costruire prototipi per la progettazione del prodotto, l'ingegneria e altre applicazioni.

Invece di rimuovere materiali come avviene con i metodi tradizionali (produzione sottrattiva), vengono aggiunti strati di materiali (materiali, plastica, ecc.). Ciò lo rende popolare per diversi motivi:

  • Creazione di geometrie complesse: Mentre i metodi tradizionali hanno difficoltà con forme complesse o caratteristiche interne, la produzione additiva può costruirli facilmente strato dopo strato.
  • Flessibilità e iterazione: Hai bisogno di modificare un design? Modifica semplicemente il file digitale e stampa una nuova versione. Questo rapido ciclo di iterazione è perfetto per testare e perfezionare rapidamente i prototipi prima di impegnarsi nella produzione di massa.
  • Riduzione degli sprechi e dell'utilizzo dei materiali: A differenza dei metodi sottrattivi che generano materiale di scarto, la produzione additiva utilizza solo il materiale necessario per l’oggetto finale. Questo può essere più efficiente e rispettoso dell’ambiente.

Tipi di stampanti 3D per la prototipazione

Esistono varie stampanti sul mercato progettate specificamente per gestire lo sviluppo di prototipi. Alcuni di essi includono: 

FDM (modellazione a deposizione fusa)

Stampante 3D che esegue la modellazione a deposizione fusa con filamento giallo, raffigurante il processo di produzione additiva

Un altro termine per questa tecnologia è fabbricazione di filamenti fusi (FFF). La modellazione a deposizione fusa è un processo che funziona per modelli di prova di base di base, oltre alla prototipazione rapida ed economica di parti semplici. Rispetto ad altri metodi, il tasso di precisione e il potere di risoluzione sono maggiori. Tuttavia, dovrebbe essere evitato per progetti complicati. 

Materiali per la stampa 3D FDM: ABS, PLA, PETG, Nylon, TPU, PVA, HIPS e compositi (fibra di carbonio, kevlar, fibra di vetro). 

VantaggiSvantaggi
Altamente convenienteRisoluzione inferiore
Facile da fareLa qualità non è troppo alta
Nessuna preoccupazione per la contaminazioneL'integrità strutturale non è elevata
Utilizza una vasta gamma di materiali filamentosiOpzioni di colore limitate

SLS (sinterizzazione laser selettiva)

Illustrazione del processo di sinterizzazione laser selettiva con transizione della progettazione CAD al CAM e alla fabbricazione laser

SLS, o fusione laser a letto di polvere, scioglie i polimeri in polvere in strati con l'aiuto di un laser. Puoi creare prototipi funzionali pronti per i test nel mondo reale su motori e macchinari. La loro qualità non ha eguali nella prototipazione rapida. Ad esempio, il nylon riempito con fibra di carbonio è costruito con la massima attenzione ai dettagli in modo che sia pronto ad affrontare condizioni climatiche avverse.  

Materiali per la sinterizzazione laser selettiva: Resine standard, Resina trasparente, Resina bozza, Resine resistenti e durevoli, Resine rigide, Resine poliuretaniche, Resina per alte temperature, Resine flessibili ed elastiche, Resina siliconica 40A, Resine mediche e dentistiche, Resina ESD, Resina ignifuga (FR), Resina allumina 4N e Resine per gioielli. 

VantaggiSvantaggi
Stampa rapida di un volume elevato di partiDistorsione dovuta al restringimento dopo la produzione
Le parti generate sono altamente flessibili e preciseLa superficie non è liscia
Non è necessaria una struttura di supportoProblemi respiratori dovuti all'uso della polvere

Stereolitografia (SLA)

Schema di un apparato per stereolitografia con fotopolimero liquido a polimerizzazione laser per creare parti 3D strato per strato

La tecnologia di fotopolimerizzazione utilizza una sorgente di luce UV per solidificare le resine fotosensibili e costruire intricati prototipi strato dopo strato finché il modello non è pronto. È applicabile solo per prototipi 3D ad alta risoluzione. Puoi usarlo per realizzare parti meccaniche, modelli architettonici, design di gioielli e altri prodotti di consumo.

Materiali per la stereolitografia: Nylon 12, Nylon 11, compositi in nylon, polipropilene e TPU. 

VantaggiSvantaggi
Superficie liscia con elevata finitura superficialeNon rispettoso dell'ambiente
Stampa con precisione sia la geometria interna che quella esternaImpossibile stampare stampe di grandi dimensioni
Breve tempo di stampaNecessita di polimerizzazione dopo ogni stampa 

Polimerizzazione a due fotoni (TPP)

Schema della configurazione di polimerizzazione a due fotoni con laser a femtosecondi e stadio di posizionamento XYZ di precisione.

Essendo una tecnologia di microstampa, TPP può stampare parti inferiori a 0,1 micron. Utilizza una resina fotosensibile e un laser pulsato a femtosecondi puntato su una resina speciale. Questo laser converte minuscoli frammenti di liquido in pezzi solidi, costruendo un oggetto 3D strato dopo strato. Ciò consente di creare oggetti dettagliati che possono essere grandi pochi millimetri con dettagli nanometrici.

Il TPP trova applicazione nelle applicazioni mediche, nella ricerca e nella produzione di parti minuscole, come elettrodi di dimensioni micro e sensori ottici.

Materiali per la polimerizzazione a due fotoni: resine polimeriche liquide

VantaggiSvantaggi
Risoluzione senza pariVelocità di stampa lenta
Fabbricazione 3D diretta. Non sono necessarie strutture di supportoAttrezzature costose
Versatilità dei materialiSelezione materiale limitata
Impatto termico minimoVolume di costruzione limitato

Elaborazione digitale della luce (DLP)

Configurazione del proiettore DLP (Digital Light Processing) in una sala di controllo con apparecchiature elettroniche associate

Nella stampa 3D DLP, viene utilizzato un proiettore di luce digitale per mostrare un’immagine di ogni strato. Succede su uno strato di resina. La DLP è una scelta comune per la produzione di parti più grandi o più parti in un unico lotto, poiché garantisce tempi costanti indipendentemente dal numero di parti. 

L'elaborazione digitale della luce è applicabile nei display statici, nei display interattivi e anche negli usi di sicurezza, medici e industriali.

Materiali per l'elaborazione digitale della luce: resine termoplastiche, metalli e resine polimerizzabili con raggi ultravioletti

VantaggiSvantaggi 
Alta precisione e dettaglioVolume di costruzione limitato
Velocità di stampa elevateCausa voxelizzazione
Ampia gamma di materialiPasticcio di resina
Relativamente convenienteProvoca voxellazione

Display a cristalli liquidi (LCD)

Illustrazione di un processo di stampa 3D basato su LCD con fasi sequenziali di proiezione ed elevazione degli strati

Questo è quasi simile al Digital Light Processing (DLP). Tuttavia, la differenza sta nell'uso del display LCD per il primo. Inoltre, il motivo per cui ha un prezzo più alto. Proprio come il DLP, lo schermo LCD visualizza un'immagine digitale composta da piccoli punti quadrati. La dimensione di questi punti sullo schermo determina quanto elaborata sarà la stampa. 

Materiali per display a cristalli liquidi: materiali compositi

Vantaggi Svantaggi
Elevato dettaglio e risoluzioneVolume di costruzione limitato
Velocità di stampa più elevataStampe fragili
Finitura superficiale più lisciaRichiede ventilazione a causa del disordine della resina
Ampia varietà di materialiCosto più elevato

Stampa 3D in metallo

Per i prodotti in metallo è necessario un prototipo in metallo. Ricorda, le alternative ai polimeri sono più economiche della tecnologia di stampa 3D in metallo. Scegliere la stampa 3D è un’opzione migliore rispetto a Fresatura CNC acciaio inossidabile stampaggio a iniezione poiché questi creano prototipi senza lasciare dietro di sé alcun materiale di scarto.  

Tipi di stampa 3D in metallo

FDM in metallo: Proprio come le tradizionali stampanti FDM, queste costruiscono parti comprimendo i filamenti riempiti di metallo e perdendo i loro strati leganti in una fornace.  

SLM (fusione laser selettiva) e DMLS (sinterizzazione laser diretta dei metalli): Facendo un passo avanti rispetto ai polimeri, le tecnologie SLM e DMLS sfruttano la potenza dei laser per fondere meticolosamente la polvere metallica in intricate creazioni strato su strato. Sono perfetti per diverse applicazioni nei settori aerospaziale, automobilistico e medico.

Materiali per la stampa 3D in metallo: Titanio, acciaio inossidabile, alluminio, acciaio per utensili e leghe di nichel.

VantaggiSvantaggi
Consente la creazione di geometrie e caratteristiche interne altamente complesseCosto alto
Prototipazione rapidaSpesso richiede un'estesa post-elaborazione
Riduce lo spreco di materialePrecisione e finitura superficiale non come desiderate
Produce parti leggereLimita la selezione del materiale

Usi 

La stampa 3D ti consente di liberarti dagli schemi e dalle forme rigide del passato. Curve complesse, reticoli complessi e strutture cave non sono un problema.

Tipi di materiali per la stampa 3D

La stampa 3D richiede alcune materie prime per creare prototipi innovativi e futuristici. Questi includono:

Plastica

Uno dei materiali più comunemente utilizzati nella stampa 3D è la plastica. Il motivo per cui sono ampiamente utilizzati è la loro capacità di creare prototipi per diversi settori, come giocattoli per bambini e sofisticati apparecchi domestici. Gli esempi includono action figure, utensili e vasi. 

Plastica – la materia prima può essere trasparente, colorata o disponibile su bobine. A seconda della texture desiderata, puoi acquistare plastica opaca o lucida. Inoltre, sono convenienti e non ti scavano un buco nelle tasche. 

Le stampanti FDM vengono utilizzate principalmente per creare prodotti in plastica. Tutta la plastica stampata in 3D può trasformarsi in qualsiasi forma immaginabile, dai sottobicchieri piatti agli ingranaggi intricati, dalle curve morbide ai paesaggi strutturati. Ecco alcuni tipi di plastica comunemente usati:

Acido polilattico (PLA): un'opzione ecologica: è ottenuta da prodotti naturali come la canna da zucchero e l'amido di mais. Sono disponibili sia in forme morbide che dure. Quest'ultimo è più resistente e quindi perfetto per vari prodotti industriali.

Acrilonitrile butadiene stirene (ABS): Un altro nome, Plastica Lego, questa è la scelta ideale per le stampanti 3D. Comprende filamenti simili a pasta che aiutano a creare un materiale super resistente e flessibile. Sono ideali per costruire infinite cose o attaccare disegni divertenti su qualsiasi superficie. Benché favorito dagli stampatori hobbisti, è anche comunemente utilizzato nella produzione di beni di consumo disponibili in commercio.

Policarbonato (PC): Non così comunemente usato come gli altri tipi, il PC è compatibile con stampanti ad alta temperatura i cui ugelli hanno un'elevata precisione. 

Plastica di alcol polivinilico (PVA): Quando cerchi una stampante economica, PVA è la scelta giusta. Il PVA è una scelta appropriata come materiale di supporto solubile. Anche se potrebbe non essere adatto a prodotti ad alta resistenza, rappresenta comunque una soluzione economica per articoli ad uso temporaneo.

Polveri

Le stampanti 3D ad alta tecnologia utilizzano materiali in polvere per scolpire diversi prodotti sciogliendo e stratificando la polvere. Questo crea oggetti con spessore, consistenza e motivi perfetti. Diversi tipi di polveri utilizzate nella stampa 3D includono

Poliammide (nylon): Due ragioni che differenziano la poliammide dal resto sono la resistenza e la flessibilità. Questa combinazione unica lo rende adatto alla stampa di oggetti con dettagli fini, come gli ingranaggi di un minuscolo robot o le delicate caratteristiche di una statuetta in miniatura. 

Alumide: Una combinazione di poliammide e alluminio grigio, la poliammide garantisce modelli stampati in 3D di resistenza estremamente elevata. Puoi contare su di lui per prototipi e modelli industriali. 

Resine.

Rispetto ad altri materiali, la resina non è così resistente o flessibile. Poiché comprende un polimero liquido, la resina solidifica dopo l'esposizione alla luce UV. È disponibile principalmente nelle opzioni nera, bianca e trasparente; alcuni articoli stampati sono stati creati anche in arancione, rosso, blu e verde. Può essere suddiviso in tre categorie:

Resina trasparente. La sua forza ineguagliabile la rende una delle resine più ricercate per i prodotti stampati in 3D. I prototipi risultanti sono trasparenti (come suggerisce il nome) e lisci. 

Resina verniciabile: Alcune resine eccellono nel reparto estetico. Ad esempio, le figurine con dettagli facciali realistici e verniciabili o le sculture eleganti che attirano ogni sguardo sono tutte il risultato di resine verniciabili. 

Resine ad alto dettaglio: Modelli piccoli ma con dettagli estesi, ecco cosa fanno le resine ad alto dettaglio. Immagina figurine alte appena quattro pollici e adornate con abiti intricati e tratti del viso realistici. 

Metalli

Dopo la plastica, i metalli sono il materiale più utilizzato. Sono in grado di dare vita a prodotti che resistono all'usura quotidiana, come gioielli complessi e persino parti di aerei. Inoltre, i progressi nella tecnologia di stampa 3D a base metallica consentono ai produttori di utilizzare DMLS per la produzione a velocità e volumi elevati. 

Ecco la vasta gamma di metalli utilizzati per la stampa 3D

  • Alluminio: ideale per oggetti metallici sottili
  • Bronzo: Vasi e alcuni altri apparecchi
  • Acciaio inossidabile: quei componenti che possono entrare in contatto diretto con l'acqua
  • Nichel: funziona per la stampa di monete

Altri materiali 

Alcuni altri materiali utilizzati per la stampa 3D includono fibra di carbonio, nitinol, grafite, grafene e carta. 

Come stampare un prototipo 3D

Si svolge in 4 semplici passaggi:

  • Progettare un modello utilizzando un programma per computer. Apporta modifiche in questa fase se noti eventuali difetti. 
  • Utilizza il software di slicing per scomporlo in strati sottili. Regola impostazioni come altezza dello strato, percentuale di riempimento, strutture di supporto e velocità di stampa. Questo processo genera un codice G.
  • La stampante costruirà l'oggetto strato per strato utilizzando materiali e metodi scelti. Una volta stampati tutti gli strati, l'oggetto è pronto e può essere rimosso dalla piattaforma di stampa. 
  • Rimuovere con attenzione le strutture di supporto utilizzando pinze e tronchesi. Pulisci eventuali materiali residui o detriti dalla superficie dell'oggetto stampato utilizzando metodi come spazzolatura, levigatura o lavaggio.

Applicazioni della stampa 3D

Beni di consumo

Personalizzazione e innovazione sono i pilastri del successo nel dinamico mercato consumer di oggi. Il 3D è la tecnica new age che consente a rivenditori e produttori di sbloccarli tutti. È il nuovo modo di progettare, produrre e sperimentare i prodotti che amiamo.

La ricerca e sviluppo delle stampanti 3D desktop industriali sta rendendo più semplice per ingegneri e progettisti rivoluzionare il modo in cui funziona questo settore. 

Moda

Produrre progetti personalizzati non è mai stato così facile. L’industria della moda sta ora sfruttando la tecnologia di stampa 3D per soddisfare i propri clienti. Possono realizzare progetti complessi in modo semplice e rapido senza troppe interferenze manuali. 

Utilizzano persino materiali inediti come la plastica per creare disegni, ampliando così gli orizzonti tessili.

Aerospaziale

Il settore aerospaziale è uno dei primi settori a utilizzare la stampa 3D. In effetti, la dimensione globale del mercato della stampa 3D aerospaziale ha raggiunto l’enorme cifra di 4,6 miliardi di dollari USA$ nel 2023. Non solo, ma si prevede che crescerà a un CAGR di 16,2% dal 2024 al 2032. 

Airbus, Boeing, GE, GKN e Safran sono i principali attori in questo campo. Utilizzano la stampa 3D per creare componenti leggeri, prototipi funzionali e strumenti. 

Formazione scolastica

Questo settore sta utilizzando la potenza del 3D per rivoluzionare il modo in cui gli studenti apprendono. Gli studenti possono utilizzare questa tecnologia per creare modelli. Questo aiuta quest'ultimo a comprendere meglio i concetti. Non solo, ma gli insegnanti lo utilizzano anche per preparare i loro progetti didattici.

Non c'è da stupirsi, quindi, del mercato Stampa 3D nel settore dell’istruzione crescerà a un CAGR di 12.12% tra il 2022 e il 2027. 

Costruzione

Nella costruzione, diversi componenti e strutture vengono preparati utilizzando la stampa 3D. Tutte le strutture complicate possono essere realizzate ad un prezzo molto più basso. Alcune delle strutture che utilizzano questa tecnologia includono stampi e forme. 

Queste sono le ragioni per cui il mercato della stampa 3D nel settore edile prevede di raggiungere i 519,49 miliardi di dollari entro il 2032. 

Medico

L’uso della stampa 3D è in aumento in questo settore e continuerà a farlo nei prossimi anni. Gli esperti ritengono che il loro utilizzo sia destinato a durare. Le applicazioni sono versatili e possono variare da protesi, impianti e biostampa alla pianificazione e ai test chirurgici.

Grazie alla prototipazione rapida a basso costo, i produttori di dispositivi medici possono testare e perfezionare rapidamente i propri progetti. Ciò contribuirà a portare nuove idee ai pazienti ancora più velocemente. Non solo, il 3D può anche aiutare a costruire dispositivi specifici per il paziente e garantire un adattamento perfetto e un risultato ottimale.

Settore automobilistico:

Secondo un rapporto di SmartWatch, il fatturato globale della stampa 3D raggiungerà $7,9 miliardi entro il 2027. Ciò dimostra quanto sia diventata essenziale la prototipazione 3D per questo settore. Prototipazione a parte, le aziende utilizzano gli utensili come uno degli usi principali della stampa 3D. 

Quindi, ci si possono aspettare soluzioni su misura, oltre ad una produzione più rapida, grazie all’uso della prototipazione 3D nell’industria automobilistica. Non solo, i progettisti ottengono anche molteplici alternative di progettazione e flessibilità quando si tratta di progettare i prototipi.

Conclusione

Sappiamo che la prototipazione è un processo essenziale nello sviluppo del prodotto che aiuta diversi settori in modi diversi. La stampa 3D ha capacità sorprendenti nello sviluppo di prototipi. Usandolo, queste industrie possono assicurarsi di stare al passo con la concorrenza. 

Se sei qualcuno che desidera sfruttare tutto il potenziale della stampa 3D per i tuoi progetti, allora considera la possibilità di collaborare con HiTop industriale. Usiamo la nostra esperienza e competenza per aiutare tutti gli innovatori, i progettisti e gli ingegneri a dare vita alle loro visioni. 

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