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Lavorazione di prototipi con macchine CNC
Benvenuti al primo numero della nostra newsletter Suggerimenti per la lavorazione con macchine di First Cut. Visto il successo della newsletter mensile Suggerimenti di Progettazione Protomold che Proto Labs pubblica da anni, abbiamo pensato di fare qualcosa di simile per il nostro servizio First Cut. In questo primo numero ripercorreremo le tappe della storia della lavorazione con macchine CNC, diventata ormai un processo di prototipazione affermato, e presenteremo alcune informazioni introduttive sulle capacità del nostro servizio First Cut.
È una regola della vita moderna: più i computer diventano intelligenti e più economici diventano i compiti che eseguono. Il lavoro eseguito da esseri umani altamente qualificati, invece, resta abbastanza caro. Con l'introduzione della lavorazione computerizzata con macchine (dapprima con l'uso di nastro di carta, in seguito con la tecnologia digitale) i costi per la produzione di pezzi lavorati con macchine, un tempo compito esclusivo dell'uomo, si sono ridotti drasticamente. Ma anche con l'automatizzazione della produzione, l'attrezzaggio iniziale (eseguito da tecnici qualificati) continuava a costituire un processo delicato, che comportava la conversione della progettazione assistita da computer (CAD) in fabbricazione assistita da computer (CAM). Comunque, una volta creati i percorsi e lasciato il campo ai computer, le macchine utensili a controllo numerico computerizzato (CNC) si misero alacremente al lavoro sfornando decine, centinaia e migliaia di pezzi.
I macchinari di lavorazione potevano integrare diversi utensili in una singola "cella", permettendo di realizzare pezzi complessi senza bisogno dell'intervento umano. La produzione, quindi, era molto economica. Gli elevati costi di attrezzaggio venivano ammortizzati con le quantità di pezzi prodotti e furono presto compensati dai bassi costi della lavorazione con macchine.
I pezzi erano resistenti, precisi e potevano essere realizzati in praticamente qualsiasi materiale lavorabile ma, a causa dei costi fissi di attrezzaggio, i primi esemplari avevano un costo proibitivo. In altre parole, questa potente tecnologia non si dimostrava particolarmente conveniente per la produzione in volumi ridotti. E nella maggior parte dei casi era troppo costosa anche per la prototipazione, soprattutto perché quest'ultima poteva richiedere numerose ripetizioni di uno stesso pezzo.
La tecnologia - i computer e gli inventori - venne in soccorso dei progettisti offrendo una soluzione parziale. Se non era possibile fresare in modo conveniente piccole quantità di pezzi, in alternativa si sarebbe potuto costruirli. Il risultato fu un software che prendeva un progetto CAD e lo suddivideva in sottili strati virtuali. Questi strati venivano quindi inviati all'hardware, che li riproduceva in resina e li disponeva l'uno sull'altro in un processo additivo che dava come risultato un solido tridimensionale simile al progetto originario. I materiali e i processi per la creazione del solido erano diversi. Tra le tecnologie più affermate c'erano lo stereolitografia (SLA), la sintetizzazione laser selettiva (SLS) e la modellazione a deposizione fusa (FDM).
Questi processi lavoravano direttamente da modelli CAD, senza bisogno di praticamente alcun intervento umano, perciò il costo del primo pezzo prodotto era inferiore al costo del primo pezzo lavorato con macchine CNC. I pezzi successivi, invece, avevano lo stesso costo, perciò la lavorazione con macchine recuperava terreno. Ma per quantità minime di pezzi, il vantaggio di costo rendeva naturalmente preferibile l'uso di processi additivi.
Purtroppo, malgrado la loro innovatività tecnologica e i costi contenuti, anche i processi additivi avevano i loro inconvenienti. La riproduzione della forma era soddisfacente, ma la stratificazione lasciava dei "dislivelli" sulla superficie dei pezzi. E dal momento che i legami tra gli strati non erano solidi quanto quelli dei pezzi stampati a iniezione o dei solidi utilizzati nella lavorazione con macchine, i pezzi erano meno resistenti dei pezzi di produzione e si dimostravano, quindi, inadatti ai rigorosi collaudi funzionali. Infine, ogni processo additivo era standardizzato per una sola resina o un numero limitato di resine, perciò i pezzi prodotti erano spesso di materiale diverso rispetto a quanto richiesto per la produzione su vasta scala, precludendo ancora una volta l'accesso ai collaudi funzionali. In parole povere, a parte il risparmio in termini economici, i processi additivi si rivelavano ancora inferiori alla lavorazione con macchine per la produzione di prototipi o di pezzi di alta qualità in volumi ultra-ridotti.
Un importante fattore che ostacolava l'impiego della lavorazione con macchine CNC per la prototipazione era il fissaggio, un processo essenzialmente manuale e quindi costoso. Un altro ostacolo era il costo di progettazione per la creazione dei percorsi dal progetto originario, per la scelta degli utensili e per l'impostazione del Codice G (i codici che posizionano gli utensili della macchina) nel dispositivo di fresatura. Si trattava di un processo molto più complesso rispetto alla semplice scomposizione in strati di un modello CAD 3D, impiegata con i diversi metodi additivi. L'automazione di questi passaggi richiedeva un'enorme potenza di calcolo e centinaia di migliaia di linee di codice di software. Fortunatamente, questi ultimi due aspetti erano già stati sviluppati per altri scopi.
Il codice era utilizzato per fresare gli stampi di iniezione direttamente dai modelli CAD 3D, mentre la potenza di calcolo era costituita dalla rete telematica di computer più sviluppata del settore, che si trovava nella sede centrale di Protomold (oggi Proto Labs). Quando il fondatore Larry Lukis capì che il software usato per automatizzare la fresatura degli stampi direttamente dai modelli CAD 3D poteva essere utilizzato anche per la lavorazione diretta di pezzi con macchine, la conversione per questo tipo di lavorazione fu pressoché immediata. Eliminando la necessità di eseguire il software CAM residente tra il progetto CAD originale e le macchine CNC di lavorazione, Proto Labs è riuscita a ridurre in maniera considerevole i costi di attrezzaggio e i costi fissi della lavorazione con macchine CNC. Il costo complessivo della lavorazione con macchine per uno o più pezzi è improvvisamente diventato concorrenziale e in linea con quello dei metodi di "prototipazione rapida" additiva, ed è stato creato il servizio First Cut per sviluppare e fornire servizi di lavorazione automatizzata con macchine CNC.
I vantaggi della lavorazione automatizzata, impiegata come metodo di prototipazione, sono evidenti. Il processo produce pezzi da solidi, ma senza le debolezze tipiche dei pezzi prodotti a strati. Le superfici possono essere lisce e prive dei dislivelli che si osservano nei prototipi a strati. Il processo può impiegare alluminio o una delle decine di resine di plastica esistenti, e il numero dei materiali disponibili aumenta continuamente.
I pezzi possono essere realizzati e consegnati entro 1-3 giorni lavorativi dal piazzamento dell'ordine e l'invio del preventivo è altrettanto rapido. Il motore di preventivazione online di First Cut fornisce un preventivo FirstQuote® gratuito compilato sulla base dei modelli CAD 3D sottoposti dal cliente. Anche questo processo è reso possibile grazie alla potente rete telematica che gestisce la produzione dei pezzi.
La lavorazione automatizzata con macchine CNC è naturalmente limitata dalle forme che è possibile realizzare a partire da solidi con l'uso delle macchine di fresatura CNC. Attualmente il processo di First Cut è in grado di produrre pezzi che possono essere contenuti in una busta di 254 mm x 177 mm x 95 mm. La profondità massima che può essere fresata da qualsiasi lato del pezzo è 50 mm. Le attuali limitazioni di fissaggio prevedono pezzi di dimensioni minime di 6 mm x 6 mm x 6 mm.
Il processo di First Cut è attualmente limitato a 3 assi che fresano da 6 lati. Il preventivo inviato al cliente evidenzia i particolari che non possono essere lavorati con macchine entro questi limiti. Gli angoli interni vivi di un pezzo verranno arrotondati, quale risultato naturale del procedimento di fresatura CNC, e il preventivo evidenzierà le aree interessate da questi arrotondamenti.
Alcuni particolari molto piccoli potrebbero essere difficili da lavorare adeguatamente e saranno specificati nel preventivo. Il testo incassato, per esempio, deve avere una larghezza minima di battuta di 0,5 mm e la spaziatura fra i caratteri del testo in rilievo deve essere pari a 0,5 mm o superiore.
A differenza dello stampaggio a iniezione, la lavorazione con macchine CNC è in grado di produrre pareti spesse, il cui spessore non deve necessariamente essere uniforme. In genere, le pareti non dovrebbero avere uno spessore inferiore a 0,5 mm. Nel complesso, si ottengono normalmente tolleranze di +/- 0,1 mm.
Qui potrete trovare l'elenco dei materiali disponibili per il processo automatizzato di lavorazione con macchine CNC di First Cut.
Per un confronto dettagliato dei processi di prototipazione, scaricate la nostra documentazione.
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