A colpo d’occhio:
- Che sia high tech o low tech, la prototipazione si presenta in molte forme. Il processo è tipicamente iterativo, non lineare e automatizzato.
- Protolabs sta automatizzando il processo di produzione della fabbricazione additiva attraverso una piattaforma integrata di e-commerce del ciclo di vita.
- Ford si è unita ai rivali GM e Fiat Chrysler nell’utilizzare la loro produzione per realizzare prototipi veloci per dispositivi di protezione personale durante l’epidemia COVID-19.
- Pipeline Design & Engineering favorisce uno stile di prototipazione non lineare che enfatizza la costruzione di un elenco ben definito di requisiti funzionali per le macchine dei dispositivi medici in fase di sviluppo.
Thomas Edison non ha inventato la lampadina, ma il suo lavoro di prototipazione del primo sistema di illuminazione a incandescenza è un classico esempio di prove ed errori.
Il prolifico inventore mandò persone ai confini dell’Africa e del Giappone alla ricerca di un materiale soddisfacente per il filamento, e ci sarebbero voluti più di 1.200 esperimenti, 6.000 piante campione e 40.000 dollari per svelare la preziosa lampadina elettrica a incandescenza. Quel prototipo (brevetto USA 223.898), con il suo filamento di filo da cucito carbonizzato, bruciava per 13,5 ore e illuminava tutto il suo laboratorio di ricerca industriale di Menlo Park.
Da un lato, le invenzioni di Edison – gli furono rilasciati un totale di 1.093 brevetti – sono l’approvazione consumata per una rapida iterazione per ottenere il risultato giusto. Dall’altro, poche aziende manifatturiere hanno il lusso di fare innumerevoli errori nel mercato ferocemente competitivo di oggi, più veloce, migliore e più economico.
La prima lampadina di Thomas Edison in mostra a Menlo Park.Wikimedia Commons
Nel 2020, per esempio, IBM ha conquistato il primo posto con 9.130 brevetti tra le aziende che hanno avuto più brevetti assegnati, superando Samsung Electronics, Canon e Microsoft. Non c’erano garanzie che ognuna di queste idee brevettate e soluzioni concettuali sarebbe stata integrata in un prodotto finale, ma è probabile che i progettisti valutino ogni concetto per garantire che solo i più promettenti siano selezionati per la progettazione e la prototipazione per la producibilità.
Accelerare il processo
A alta o bassa tecnologia, i processi di prototipazione si presentano in molte forme, ma tipicamente coinvolgono lo sviluppo di una versione iniziale di un prodotto allo scopo di valutare il design, risolvere i problemi di progettazione e individuare le aree di miglioramento prima che il prodotto arrivi alla fase di sviluppo. Tra i vantaggi di vedere una versione fisica c’è il fatto che permette ai designer di aumentare le tecnologie esistenti e facilita le tecnologie di prossima generazione.
La prototipazione rapida, per estensione, comprende un insieme di tecnologie che creano rapidamente e accuratamente modelli tridimensionali tangibili in scala usando dati di progettazione e produzione assistita dal computer (CAD/CAM). Le tecnologie CAD, abbinate alle capacità software e hardware della produzione additiva (AM), hanno accelerato significativamente i processi di prototipazione. Invariabilmente, la prototipazione rapida è associata all’AM, ma i maggiori fornitori di stampa 3D personalizzata stanno sempre più reingegnerizzando i loro approcci di prototipazione estendendo i loro servizi per includere lo stampaggio a iniezione, la fabbricazione di lamiere e la lavorazione CNC.
Viene mostrata una proposta di layout dell’estrattore nella piattaforma di e-commerce di Protolabs.Protolabs
Rispondendo alla sfida della produzione della stampa 3D, Protolabs, un produttore con sede a Maple Plain, Minn.con sede a Maple Plain, Minn, ha lanciato a febbraio una piattaforma di e-commerce che dovrebbe ristrutturare il ciclo di vita del prodotto accelerando la quotazione online, l’analisi del design e l’ordine. “La piattaforma si concentra sull’aiutare a trasformare le idee dei progettisti – dal momento in cui hanno un’idea a quello in cui la iterano, la prototipazione, fino al mercato finale”, ha detto Mark Flannery, direttore globale del prodotto, e-commerce, alla Protolabs. “Il vero valore è quello di permettere ai clienti di sapere esattamente cosa riceveranno virtualmente prima di riceverlo fisicamente, perché questo riduce il ciclo di vita.”
Uno dei modi in cui Protolabs sta rispondendo alle esigenze in evoluzione è l’aggiunta di una funzionalità di “analisi della produzione” sulla sua piattaforma di e-commerce. Il sistema può eseguire un’analisi approfondita di un modello tridimensionale e fornire un feedback sulla geometria di un file CAD, evidenziando anche le aree che potrebbero rivelarsi problematiche e raccomandando modifiche per migliorare la fabbricabilità. “Presentiamo tutte queste informazioni agli ingegneri, in modo che possano decidere se è il caso di fare dei perfezionamenti prima che la (parte o il componente) sia effettivamente prodotta”, ha detto Flannery.
La piattaforma e-commerce di Protolabs esegue l’analisi della produzione.Protolabs
Mescola le offerte
In nessun luogo la necessità di prototipazione rapida è stata più rilevante di quando i dispositivi di protezione personale come le maschere N95 scarseggiavano all’inizio dello scoppio del coronavirus lo scorso anno.
Will Martin, direttore del marketing e delle comunicazioni della Protolabs, racconta con orgoglio la storia del respiratore B2. Nominato tra le migliori invenzioni del Time del 2020, il B2 è una riprogettazione di un prototipo che l’ingegnere meccanico Max Bock-Aronson ha ideato nel 2013 per combattere l’inquinamento atmosferico, ha detto Martin. Protolabs ha sostenuto la startup di Bock-Aronson, Breathe99, sviluppando le tazze filtro lavabili in lavatrice del respiratore, il substrato del frontalino e il cappuccio del filtro che rimuovono il 99% dei contaminanti.
La GT500 è pubblicizzata come la Mustang più aerodinamicamente avanzata di sempre.Ford Motor Company
Keep the Wheels Turning
Similmente, l’uso di metodi fail-fast per accelerare lo sviluppo del prodotto e fornire un feedback ingegneristico si è dimostrato critico per l’industria automobilistica. Ford Motor Company si è unita alle altre case automobilistiche GM e Fiat Chrysler per utilizzare la stampa 3D e la produzione per realizzare prototipi veloci, fabbricare schermi facciali e aumentare la produzione di dispositivi medici come i respiratori e i ventilatori per la purificazione dell’aria. Ford ha collaborato con GE Healthcare per sfruttare il design del ventilatore di Airon Corp. approvato dalla FDA e produrre 50.000 unità in 100 giorni nel suo stabilimento del Michigan.
Questa impresa di produzione è stata in non piccola parte grazie alla capacità di prototipazione rapida e decenni di esperienza con la stampa 3D, ha notato Ellen Lee, leader tecnico di Additive Manufacturing Research alla Ford Motor Company. “Mentre la pandemia ha certamente cambiato il modo in cui collaboriamo e la rete, avere queste piattaforme virtuali ci ha davvero aiutato a continuare a innovare insieme”, ha detto Lee.
Il suo lavoro si concentra sui molti modi in cui la produzione additiva può creare nuove fonti di valore in tutta l’impresa, così come sullo sviluppo di tecnologie emergenti che affrontano le lacune nel raggiungimento della produzione su scala.
Ellen Lee, technical leader – Additive Manufacturing Research, Ford Motor Company
Tieni presente che i supercomputer e le capacità di stampa 3D all’avanguardia di Ford eclissano gli standard di produzione delle pratiche comuni. La produzione a basso volume nell’industria automobilistica potrebbe significare qualsiasi cosa, dalla dimensione del lotto uno fino a decine di migliaia di unità, e questo spiega perché i progettisti della divisione ad alte prestazioni della casa automobilistica, gli ingegneri del gruppo propulsore e dell’aerodinamica hanno potuto contare su strumenti di prototipazione AM all’avanguardia per scatenare la Mustang Shelby GT500 con prestazioni da strada nel 2020.
Per un’esecuzione di questo calibro, ogni millimetro avrebbe dovuto contare per raggiungere gli obiettivi di deportanza, frenata e raffreddamento. Il tempo di sviluppo è stato accelerato e i disegni più promettenti sono stati stampati in pochi giorni. Sono stati fatti dei perfezionamenti aerodinamici, e per aumentare la fedeltà delle prestazioni, le simulazioni dovevano lavorare di pari passo con le convalide fisiche nelle gallerie del vento della Ford in Michigan e nella galleria del vento di Windshear a Concord, ha detto Lee.
“Fornendo più di 700 cavalli con carburante a 93 ottani, massimizzare il raffreddamento nella parte anteriore è fondamentale per le vigorose prestazioni della Shelby GT500 in pista”, ha dichiarato la nota stampa della Ford all’epoca. “A tutto gas, il sistema di raffreddamento deve estrarre fino a 230 kilowatt di energia termica, abbastanza per riscaldare una dozzina di case. I massicci freni anteriori respingono altri 100 kilowatt di calore alla massima frenata, quindi il team ha utilizzato una modellazione avanzata del flusso d’aria in 3D per massimizzare il raffreddamento complessivo, lavorando al contempo per ridurre al minimo l’impatto sulla portanza e la resistenza del frontale.”
Smascherando la parte anteriore della Mustang Shelby GT500.Ford Motor Company
Al momento del lancio la Ford poteva vantarsi che il team di progettazione aveva trionfato raggiungendo la massima deportanza posteriore di 550 lb a 180 mph, sfruttando l’ala posteriore da corsa della Mustang GT4 per fornire la massima deportanza mai vista su una Mustang omologata. Per quanto riguarda il design dello spoiler posteriore della supercar, soprannominato “lo swing”, simulazioni avanzate e processi di prototipazione sono stati responsabili per far sì che il veicolo fornisca 379 lb di deportanza posteriore a 180 mph.
Siccome il sistema frenante della Shelby è diverso dal modello base, era necessario un nuovo design per questa parte particolare. Lee ha detto che Ford è stata in grado di convertire da una parte in metallo a una in plastica con oltre il 60% di riduzione del peso, ed è stata in grado di ridurre la complessità del design del modello originale, che consisteva in una staffa per la sinistra e una per la destra.
A differenza dei processi di attrezzaggio tradizionali, gli strumenti di progettazione AM hanno permesso agli ingegneri di consolidare la parte da tre parti a una parte “ambidestra”, che poteva essere utilizzata sia sul lato guidatore che su quello passeggero del veicolo, riducendo la complessità e l’assemblaggio. “Abbiamo avuto un significativo risparmio sui costi rispetto alla produzione di questa parte”, ha detto Lee.
Supporto del freno di stazionamento elettrico del veicolo ad alte prestazioni Shelby.Ford Motor Company
Puttering in the Sandbox
Le case automobilistiche hanno scoperto presto che l’AM potrebbe cambiare il modo in cui approcciano la progettazione del prodotto e i processi. La storia di Ford con la stampa 3D risale al 1986, quando la casa automobilistica investì nella stereolitografia dopo aver acquistato la sua prima stampante SLA 3D. Il nuovo processo avrebbe creato una varietà di parti, ponendo le basi per ulteriori investimenti AM nella modellazione a deposizione fusa, sinterizzazione laser selettiva e stampa 3D su sabbia.
“Nel 2004, un cambiamento significativo nella prototipazione dei motori è derivato dall’introduzione della stampa su sabbia o fusione rapida su sabbia, che ha ridotto ulteriormente il nostro tempo di progettazione per i nuovi motori”, ha detto Lee. Il valore non era necessariamente nella capacità di fondere parti metalliche per l’uso finale, ma per la prototipazione del nuovo design del motore, in quanto ha permesso a Ford di utilizzare lo stesso materiale per fondere l’alluminio, o qualsiasi materiale sarebbe stato utilizzato per il motore di produzione, senza avere uno strumento, ha detto Lee.
Nel 2014, la casa automobilistica ha testato le prestazioni degli oggetti stampati in AM per vedere cosa può offrire il processo per uno strumento pronto per la stampa. Questa area di ricerca dedicata agli strumenti di prototipazione è relativamente meno costosa e più veloce da produrre, ha detto Lee. Anche la capacità di stampa diretta sta crescendo. “Man mano che sviluppiamo nuovi materiali che si comportano più come materiali di qualità di produzione e le prestazioni di quelle parti stampate, possiamo estendere i test funzionali dei prototipi più avanti nel processo”, ha detto Lee.
I processiAM hanno il potenziale per eclissare i metodi tradizionali di fare un prototipo di un utensile tagliandolo da un materiale che è meno costoso dell’acciaio, come l’alluminio, e modellando le parti per i test dei prototipi prima che uno strumento duro finale possa essere tagliato per la produzione. I prototipi possono ora essere usati per testare quasi tutte le parti del veicolo, in quanto sono usati per valutare la praticità, la forza e la popolarità dei nuovi design.
Dove i metodi tradizionali di attrezzaggio potrebbero richiedere mesi e costi esorbitanti, le parti stampate in 3D per la prototipazione rapida possono essere prodotte in pochi giorni a basso costo. “Espandendo le capacità delle tecnologie di stampa 3D si potrebbe potenzialmente rinunciare del tutto alla realizzazione di uno strumento prototipo”, ha detto Lee.
Una griglia frontale stampata in 3D.Ford Motor Company
Design for Manufacturability
Per Aaron Moncur, CEO di Pipeline Design & Engineering, uno dei limiti della prototipazione rapida è che non è necessariamente il metodo migliore per validare una nuova soluzione. Ma le virtù del basso costo e della velocità possono superare la costosa e laboriosa fusione con utensili morbidi o la lavorazione, ha detto, in particolare se il prototipo è destinato a verificare un design e una funzione e quando non è destinato alla produzione.
Con soli 10 dipendenti, l’azienda di Tempe, Ariz, che Moncur ha iniziato nel 2009, fornisce servizi di sviluppo del prodotto, concentrandosi principalmente sulle apparecchiature di automazione e sulle macchine di prova per le aziende di dispositivi medici. “La maggior parte del lavoro che abbiamo fatto, soprattutto negli ultimi sei anni, ha riguardato l’alluminio lavorato a CNC”, ha spiegato Moncur. “Praticamente ogni pezzo di attrezzatura che sviluppiamo deve contenere un dispositivo. Questo tipo di lavoro si basa spesso su parti grandi, grosse e pesanti, in contrasto con i prodotti di consumo, che di solito hanno parti in plastica stampate a iniezione con pareti sottili”.
Aaron Moncur, CEO di Pipeline Design & EngineeringPipeline Design & Engineering
Il processo di prototipazione di Pipeline può essere caratterizzato come una progressione che prende il via quando un cliente presenta un’idea. Un brief iniziale può manifestare una robusta lista di requisiti o un’idea approssimativa. Allo stesso modo, un prototipo può andare da uno schizzo grezzo o un “cartone animato CAD”, dove una forma di blocco può rappresentare una parte e una freccia può indicare un semplice movimento, e dove cartoncino e colla a caldo possono essere usati per mettere insieme un mock-up da testare.
Il team di Moncur sottolinea la necessità di sviluppare una lista ben definita di requisiti funzionali per una macchina in sviluppo. Ogni progetto deve essere ripetutamente ed economicamente producibile per diventare un prodotto finale. “Questa è la nostra regola: dobbiamo sapere che aspetto ha il successo”, ha detto Moncur, un ingegnere meccanico con un master in bioingegneria. Se abbiamo un elenco ben definito di requisiti funzionali, alla fine del progetto possiamo puntare alla lista e dire: “Questa macchina soddisfa tutti i requisiti che il cliente ci ha dato”. “Questa è in gran parte un’operazione CAD, dove passiamo settimane o mesi a fare tutto il lavoro di progettazione dettagliata”, ha detto Moncur. Il risultato finale di solito è una combinazione di parti lavorate e stampate
Quando il progetto entra nella fase di approvvigionamento, viene presa la decisione di stampare le parti in-house o di lavorare con i partner dell’officina meccanica per il CNC dei vari componenti. “Riceviamo tutto nella nostra struttura e facciamo l’assemblaggio e la convalida funzionale per assicurarci che tutto funzioni correttamente, e poi consegniamo l’attrezzatura”, ha detto Moncur.
In un’applicazione, Pipeline è stata incaricata di progettare una serie di supporti per test funzionali e delle caratteristiche eseguiti su cateteri medici ottici. Moncur ha spiegato che i supporti sono sviluppati per posizionare il dispositivo in una posizione molto precisa rispetto ad altre attrezzature e strumenti di prova che lo circondano. “Il posizionamento meccanico del dispositivo deve essere ripetibile, quindi c’è un livello di precisione”, ha spiegato Moncur. “Storicamente, li abbiamo fatti in alluminio lavorato a CNC, che in genere costava dai 2.500 ai 3.000 dollari e richiedeva due o tre settimane per la lavorazione del pezzo”.
“Abbiamo iniziato a stampare in 3D con la fibra di carbonio continua, che ha reso le parti quasi forti come l’alluminio”, ha aggiunto. “Ora, invece di tremila dollari e aspettare tre settimane per avere uno di questi supporti, passiamo un giorno o due a stamparli, e il cliente può pagare 500 dollari invece di 2.500. Sono molto più veloci, molto più economici e altrettanto funzionali delle versioni in alluminio lavorate a CNC.”
Validare l’approccio
L’approccio di prototipazione di Pipeline è decisamente meno automatizzato della piattaforma digitale di Protolabs. Ma non è affatto meno robusto; alla Pipeline, avere un prototipo fattibile è solo metà della battaglia e far sì che i team di ingegneri traducano le esigenze degli utenti in requisiti meccanici per creare le attrezzature di prova e di qualificazione necessarie per convalidare le prestazioni del prodotto è un esercizio rigoroso.
Flannery ha sottolineato che il processo automatizzato di Protolab si è evoluto attraverso la sua strategia di acquisizione nel corso di 20 anni – da un focus iniziale sullo stampaggio a iniezione e lo stampaggio a iniezione rapida, attraverso acquisizioni e servizi fusi di stampaggio a iniezione, produzione CNC, stampa 3D e lamiera. La piattaforma di quotazione digitale di Protolab porta più coerenza in tutti questi servizi. La ricompensa, ha detto Flannery, è che l’attenzione del cliente si è spostata dal decidere quale processo di produzione o servizio usare, al concentrarsi su quello che è il miglior risultato.
Mark Flannery, global product director, ProtolabsProtolabs
“I nostri clienti hanno ancora le esigenze originali – dove un singolo ingegnere sta lavorando su una singola parte, e stanno prototipando e sono concentrati su un singolo processo produttivo”, ha detto Flannery. “Ma ora abbiamo anche team di ingegneri che lavorano su più parti attraverso più servizi, e stanno facendo la prototipazione e la produzione, e la produzione on-demand”.
Ford Lee concorda sul fatto che la prototipazione rapida deve essere parte del set di strumenti di produzione generale. “Sto vedendo molta più attenzione nell’industria intorno all’uso della produzione additiva per varie applicazioni nell’industria automobilistica”, ha detto.
Lee concorda sul fatto che gli ostacoli rimangono quando si tratta di produrre parti di qualità per la produzione. La transizione verso la produzione ad alto volume è in cima alla lista delle restrizioni; la prototipazione rapida può essere costosa, le proprietà dei materiali non possono sempre essere abbinate, alcune caratteristiche chiave non possono ancora essere prototipate e il processo richiede manodopera qualificata. La scalabilità per la stampa diretta di parti può essere costosa in termini di capitale, ha detto. Forma, adattamento e funzione sono spesso sacrificati nei processi di produzione quando si dà la priorità all’alta resa.
Con approcci unici alla produzione, Ford, Pipeline e Protolabs hanno ciascuno orchestrato stili di prototipazione non lineare. Se l’intenzione di Ford è quella di far progredire le tecnologie di prototipazione AM necessarie per rafforzare la produzione, Protolabs e Pipeline sono impegnate a consolidare le relazioni con i clienti che favoriscono la selezione di prototipi in cui la fedeltà corrisponde al processo di progettazione.
Nota del redattore: l’hub WISE (Women in Science and Engineering) di Machine Design compila la nostra copertura dei problemi di rappresentazione del genere che riguardano il campo dell’ingegneria, oltre ai contributi di autrici ed esperte in varie sottodiscipline. Clicca qui per saperne di più.
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