Stampa 3D di una racchetta da tennis, un'introduzione
Realizzare un prototipo è sempre una sfida a superare i limiti della conoscenza e dell’esperienza. L’additive manufacturing rappresenta l’insieme di tecnologie più avanzate per ottenere, in tempi rapidi, il modello finito da sperimentare.
CRP Technology, precursore in Italia nel campo dell’additive manufacturing e del processo SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva), ha trovato nuove applicazioni tecnologicamente avanzate grazie alla ricerca svolta a partire già dal 1996 nel campo dei nuovi materiali e delle nuove metodologie di lavorazione.
E’ nata così la famiglia dei materiali Windform® che si distinguono per peculiarità meccaniche, termiche, per la finitura superficiale e per il colore; CRP Technology garantisce la qualità dei materiali Windform fornendo ai propri clienti la certificazione di conformità EN 10204: 2005 Type 3.1.
I materiali Windform assicurano:
- Prestazioni di alto livello e ottima definizione del prototipo
- Corrispondenza tra il progetto e il prototipo
- Funzionalità al 100% nei test da condurre sul prodotto finito
- Affidabilità e resistenza
- Capacità di verificare l’estetica e il carattere ergonomico del prototipo
- Tempi brevi di realizzazione, aspetto fondamentale per correggere eventuali errori progettuali
L’utilizzo dei materiali Windform non conosce limiti o barriere applicative e possono essere impiegati in tutti i settori, dall’aerospaziale al design, dal motorsport al packaging, dall’automotive al navale e tanti altri. C’è sempre un Windform adatto per ogni tipo di applicazione capace di soddisfare le necessità richieste.
Le polveri Windform possono inoltre essere affiancate dalla tecnologia del Reverse Engineering poiché CRP offre – attraverso questa metodologia d’analisi – la possibilità di digitalizzazione del modello fisico e la ricostruzione del pezzo direttamente dal CAD, eseguendo poi la stampa 3D direttamente dal file STL, così come il controllo dimensionale delle parti.
Abstract
Alla fine del 2007 CRP Technology insieme con i suoi materiali Windform è stata protagonista di un’importante collaborazione con Prince Sports.
Prince Sports è un’azienda leader nel settore sportivo e specificatamente nel mondo del tennis il cui obiettivo è creare prodotti tecnologicamente innovativi atti a soddisfare le esigenze di giocatori professionisti di alto livello, ed allo stesso tempo a migliorare le performances di gioco di tutti gli appassionati che si approcciano a questo sport. L’azienda controlla il marchio Prince (tennis, squash, badminton), Ektelon (racquetball) e Viking (platform/paddle tennis) e vanta l’introduzione nel corso degli ultimi 30 anni di innovazioni che hanno rivoluzionato il gioco del tennis quali la prima racchetta “oversize”; la prima racchetta “longbody” e la tecnologia O3, ultimo brevetto di successo applicato non solo alle nuove collezioni dei marchi in distribuzione ma che grazie alla collaborazione con aziende del mondo sportivo viene esteso ad altre attrezzature sportive. Oltre alle attrezzature sportive Prince sta investendo anche nel settore footwear e abbigliamento.
Questa collaborazione infatti è a dimostrazione della versatilità dei materiali Windform nel coprire diverse tipologie di prodotto e soddisfare dunque le esigenze del cliente, siano esse di carattere funzionale che di carattere e natura estetica.
Ne sono prova i due progetti iniziati nel settembre 2007 e seguiti dal dipartimento 3D printing di CRP Technology in qualità di Partner Esclusivi di Prince Sports S.r.l. situata in Gardigiano di Scorzè (Venezia, Italia).
Prince Sports è un gruppo composto da quattro entità definite: Prince Sports Inc (USA), sede principale dell’azienda, nella quale sono collocate tutte le attività manageriali e marketing di gestione del marchio, Prince Sports Europe (UK) che segue tutta la parte commerciale del marchio in Europa e Far East, Prince Sports Taiwan (TW) che è responsabile del sourcing produttivo ed infine Prince Sports srl (ITALY) che propone, cura e sviluppa progetti di ricerca e innovativi che sono le basi per lo sviluppo di tutte le collezioni PRINCE nel mondo.
Prince Sports srl (ITALIA) oltre a proporre e industrializzare il prodotto è dotata al suo interno di un laboratorio nel quale vengono caratterizzati e collaudati tutti prodotti in fase di sviluppo e quelli attualmente in produzione. La sede italiana del colosso del tennis si avvale di strumenti di progettazione e ricerca innovativi quali, ad esempio, CAD tridimensionali variazionali di ultima generazione, software di analisi strutturale, attrezzature di prototipazione 3D, attrezzature di laboratorio per analisi a microscopio, analisi con camera ad alta frequenza.
Il progetto
La collaborazione intrapresa negli ultimi mesi del 2007 ha visto due diversi momenti di sviluppo e di applicazione:
- una prima applicazione di carattere funzionale, che ha riguardato la realizzazione in Windform di 9 campioni di inserti/clip esterni che contornano il perimetro della racchetta. La richiesta fin da subito avanzata dal cliente era quella di ottenere, sulla base dell’esperienza di CRP Technology, campioni che potessero essere testabili, e quindi utilizzati durante il gioco;
- una seconda applicazione di carattere prettamente estetico, come diretta evoluzione del progetto sopra descritto, studiata per il lancio in anteprima mondiale della nuova collezione 2008/2009 Prince Sports: la realizzazione in scala 1:1 di un prototipo di una racchetta da tennis che fosse il più possibile affine al modello reale di prossima produzione.
A fine Gennaio 2008 infatti è stata presentata in anteprima mondiale negli Stati Uniti la nuova tecnologia per la collezione 2008/2009, che sarà l’anticipazione di una serie di modelli che completeranno le collezioni Prince per i prossimi 4 anni.
Il modello prototipato sarà, infatti, la prima di una serie di racchette ispirate alla stessa tecnologia, differenti per larghezza del piatto corde, caratteristiche del peso, rigidità, quantità e distribuzione della mesh corde e delle performance in genere. La collezione sarà completa di circa 30 modelli e questi verranno sviluppati nell’arco dei prossimi due-tre anni.
L’obiettivo è quello di ottenere un campione estetico che possa costituire un elemento di riferimento per dimostrare e rendere tangibile l’innovazione tecnologica del prodotto e quanto più realistico l’effetto nel design e nella grafica.
La ricerca e lo sviluppo dei materiali utilizzati per entrambe le applicazioni suddette sono stati affidati interamente a CRP Technology sia per quanto concerne lo studio e l’analisi degli stessi, sia in merito alla scelta più opportuna dei materiali, considerate le loro caratteristiche di massa e meccaniche.
Progetto 1: Windform e tecnologia SLS per prototipi funzionali
Il progetto dei campioni di inserti è stato fin da subito accolto dal reparto 3D printing di CRP Technology con molto entusiasmo e fin dalla prime fasi del progetto si è lavorato con uno sguardo attento gli obiettivi evidenziati dal cliente, in un’ottica sempre al servizio del cliente.
Da qui l’attenzione mirata a risolvere i problemi pertinenti la scelta del materiale soprattutto considerate le problematiche sorte con il loro utilizzo sul campo.
Un primo problema da superare è stata la necessità di individuare il materiale che meglio si prestasse a garantire un minimo di tenuta visto lo spessore, la funzionalità richiesta e le varie sollecitazioni cui sarebbero state sottoposte le clip (sebbene esse fossero assemblate all’interno della racchetta da tennis, e quindi ben supportate).
La scelta iniziale pertanto è caduta sul Windform XT, caricato fibre di carbonio (ora sostituito da Windform XT 2.0), proprio in virtù delle sue proprietà ineguagliabili di accuratezza dimensionale, definizione del dettaglio e massimo carico di rottura.
Windform XT si presenta anche con un’attraente look nero scintillante, apprezzabile in molte applicazioni di design o con funzionalità comunque anche estetiche. Grazie alle caratteristiche di rigidezza e di resistenza meccanica del nuovo Windform XT è dunque possibile realizzare assemblati realistici e funzionanti.
Un secondo ostacolo ha riguardato l’analisi delle geometrie proposte per le clip: delle due risultava abbastanza esile e fragile, visto lo spessore estremamente sottile, mentre la seconda era certamente più robusta e perciò consentiva di realizzare prototipi delle clip conformi alle resistenze e agli sforzi richiesti dal cliente.
Entrambe comunque le geometrie vennero considerate nella realizzazione delle 9 clip e furono oggetto di test sia di laboratorio che pratici.
Da un primo feedback giunto dallo staff R&D di Prince Sports Italia risultò che il primo dei due prototipi campionati era per geometria e spessori assolutamente non testabile. Il secondo invece ha confermato ottimi risultati in termini di rigidezza e resistenza a trazione. L’inserto fu assemblato su una racchetta da tennis senza particolari problemi e successivamente caratterizzato con i loro consueti test di laboratorio. Terminati quest’ultimi, le clip furono sottoposte ai test pratici in campo per andare a stressare e sollecitare il componente applicando i carichi di normale utilizzo.
Nel corso dei suddetti test pratici l’inserto in XT purtroppo ha ceduto. Il supporto del passacorda che è sollecitato da una tensione statica (data dall’incordatura della racchetta) e successivamente da carichi impulsivi (dati dall’impatto della pallina sul piatto corde) è collassato durante il gioco.
Bisogna, però, tenere presente un carico statico per ogni singola corda di circa 35 Kg e di 70 kg se consideriamo la geometria del passacorda, calcolando la tensione di due strings (entrambi come tensione massima consigliata dalle stringing instruction di Prince Sports) e un carico dinamico (ovvero il carico dinamico provocato dall’impatto della pallina da tennis durante il gioco) di 100 Kg (50 Kg per ogni corda, quindi 100 kg per singolo passacorda). Possiamo quindi dire che sul singolo elemento di supporto corda possiamo raggiungere carichi impulsivi pari a 170Kg.
In considerazione di tali dati, tuttavia, il nostro cliente si disse molto soddisfatto dei risultati ottenuti dall’inserto e dal nostro Windform XT.
Questo primo test non ha rappresentato tuttavia un ostacolo nello sviluppo del progetto, bensì il punto di partenza che ha portato il cliente a decidere di spingere il lavoro verso ulteriori evoluzioni, confermando poi la sua volontà nel volere impiegare i materiali Windform anche per un secondo progetto, con finalità diverse. Da qui la sua disponibilità ad esaminare nuovi materiali della famiglia Windform.
Dopo un’attenta analisi del reparto R&S e 3D printing di CRP Technology, al cliente fu proposto il Windform FX.
Per le sue caratteristiche di eccezionale resistenza alle ripetute sollecitazioni di flessione e torsione sembrava poter rappresentare una valida alternativa all’inserto in XT per meglio sopportare i carichi dinamici e statici richiesti.
Ulteriore passo in avanti nel progetto è stato quello pertinente all’aggiornamento ed implementazione delle matematiche delle clip da sviluppare. L’inserto venne dal cliente allungato ed esteso in tutta la perimetria della racchetta. Il design fu migliorato e strutturalmente venne sfruttata l’esperienza dei primi prototipi per aumentare la durabilità e le performance del pezzo.
Dopo lo studio del file aggiornato e le verifiche di fattibilità anche da un punto di vista dimensionale, il dipartimento 3D printing di CRP ha proceduto con la realizzazione delle clip in Windform FX.
Risultati
Questa seconda soluzione per la realizzazione degli inserti perimetrali ha avuto il successo sperato. I campioni sono risultati anche agli occhi del cliente sorprendentemente flessibili e resistenti.
Nonostante questi prototipi siano stati utilizzati come campioni dimostrativi, la procedura di incordatura del telaio ha sottoposto a circa 15 kg di tensione ognuna delle corde avvolte sul telaio (30 kg a passacorda, tensionato da due corde singole). Conseguentemente gli inserti prototipati sono stati sottoposti a circa 200 kg di carico statico. La notevole flessibilità unita alla tenacità dei materiali utilizzati ha consentito agli inserti di supportare le tensioni di carico senza presentare alcun problema resistenziale. E questo assume maggior valore se si considera che una deformazione importante degli inserti rende il telaio non stabile con una conseguente imprecisione del colpo.
La prestazione in termini resistenziali del pezzo, infatti, influisce in maniera fondamentale nella performance della racchetta. La perdita di energia dovuta a deformazione o torsione dell’inserto riduce notevolmente la quantità di moto utile e necessaria per restituire quanta più energia e quindi velocità alla pallina.
Il vantaggio dato dall’utilizzo del Windform si è evidenziato nella risposta alla domanda: “Quali sono i limiti del precedente metodo di produzione, prima della collaborazione con CRP Technology?” a cui il cliente ha risposto: “I materiali generalmente utilizzati in passato per il rapid prototyping non potevano essere di riferimento per alcun test di laboratorio e/o spunto per analisi sul procedimento di incordatura. Ora con il Windform è invece possibile”.
I materiali Windform consentono di ottenere tutte le proprietà necessarie per prove di assemblaggio, di galleria del vento, per esposizioni ai clienti e anche per analisi di progettazioni: la tecnologia SLS permette la totale libertà di forma e i materiali Windform le prestazioni meccaniche necessarie.
Progetto 2: Windform e la tecnologia SLS per applicazioni di design
Il passo successivo è stato quello di inserire gli inserti testati in Windform FX all’interno del modello completo di racchetta frutto dell’attività R&S di Prince per la nuova stagione.
Questa nuova richiesta ha certamente una finalità diversa, non riconducibile a prove funzionali, bensì concerne un’applicazione sostanzialmente di carattere estetico e di design, cui comunque si prestano i materiali della famiglia Windform.
Le parti che compongono il modello in scala 1:1 e che furono realizzate da CRP Technology sono: la struttura del telaio, i relativi inseriti o clip che contornano il perimetro della racchetta (gli unici ad essere testati anche sul piano funzionale) ed un bumper che è un paracolpi posizionato sulla testa della racchetta.
Tutti i componenti in questione sono stati successivamente verniciati per accentuare la loro realisticità.
Il prototipo è stato infatti essenzialmente utilizzato per presentare un nuovo modello e conseguentemente la ricerca e la scelta dei materiali utilizzati è stata mirata a rendere quest’ultimo il più coerente possibile alla realtà, mantenendone le dimensioni d’ingombro reali e in parte le caratteristiche di massa e meccaniche di alcuni componenti.
La coerenza dimensionale dei diversi componenti dell’assieme ha consentito di ridurre i tempi di valutazione dimensionali e di assemblaggio dei differenti componenti facenti parte dell’assieme. Non per ultimo il prototipo è stato sottoposto a procedimento di incordatura.
L’incordatura del prototipo ha accelerato drasticamente le consuete valutazioni tecniche sul prodotto finito, garantendone la attrezzature predisposte.
L’enorme flessibilità e tenacità dei materiali Windform utilizzati ha consentito anche durante la fase di incordatura un’ottima resistenza degli inserti e del telaio.
Vediamo nel dettaglio le scelte fatte in merito ai tre componenti del modello.
Il telaio
La scelta del materiale per la realizzazione del telaio ha tenuto conto:
- delle dimensioni della struttura in rapporto al volume di sinterizzazione delle stampanti.
Se la struttura del telaio è troppo grande rispetto alle dimensioni di lavoro, si rende infatti necessario tagliare in più parti il modello per poi incollare le singole parti mediante una speciale resina epossidica strutturale. Questo tuttavia non interferisce sull’efficacia e la funzionalità del modello finale, bensì richiede un attento studio a priori del modello e delle zone in cui effettuare i tagli per evitare di incidere sulle performance finali del prototipo.
Le dimensioni del file considerato hanno di fatto reso necessario apportare un taglio alla struttura del modello in tre parti, poi incollate ed assemblate insieme, con massima definizione e riducendo il più possibile gli scalini tra i tre pezzi incollati, che a detta del cliente “sono state quasi impossibili da notare”. - della finalità ultima del prototipo e i carichi ultimi cui doveva essere sottoposto.
Su indicazioni del cliente, infatti, il modello da realizzare era “statico” e con finalità anche di carattere estetico e non molto funzionali. Tuttavia, considerando la curiosità delle persone che avrebbero partecipato al meeting e la possibilità di toccare il modello si è ovviamente ritenuto opportuno considerare una certa robustezza del materiale per la realizzazione de prototipo.
Per queste due principali ragioni, la scelta è caduta sul materiale Windform GF, materiale composito caricato alluminio e vetro, di colore grigio chiaro.
La scelta di utilizzare per la struttura della racchetta un diverso tipo di materiale Windform rispetto quello utilizzato per la realizzazione del bumper e degli inserti è risultata vincente per diverse ragioni:
- nonostante le dimensioni eccedenti il volume di sinterizzazione delle macchine SLS, la resa estetica del modello ha pienamente soddisfatto il cliente e non ha avuto nessuna conseguenza negativa in fase di dimostrazione
- eccellente finitura superficiale ed ottima definizione riproduzione dei dettagli
- riduzione dei tempi di produzione
- riduzione dei costi
Il Bumper
Quest’ultimo particolare è stato invece realizzato in Windform FX, come gli inserti precedentemente creati e testati. Infatti, anche questo particolare sembrava essere particolarmente adatto per il Windform FX, viste le sue caratteristiche di eccezionale resistenza alle ripetute sollecitazioni di flessione e torsione. Ovviamente, ai fini ultimi dell’esposizione e del lancio marketing della racchetta non è stato necessario da parte del cliente testare in gioco questo particolare, ma la flessibilità del materiale scelto per produrlo si sposa certamente bene con la funzionalità del paracolpi posizionato sulla testa della racchetta.
Gli Inserti
Sono stati applicati al modello finale presentato in America anche gli stessi inserti realizzati in Windform FX e precedentemente testati con ottimi risultati.
Risultati
Una volta terminato il modello ed assemblato nei suoi tre principali componenti, la racchetta è stata sottoposta al trattamento di lisciatura ed inviata al cliente per la fase di verniciatura finale.
Per questa finalità, l’intero frame realizzato in GF è stato sottoposto, su suggerimento del team CRP e considerate le esigenze del cliente, ad un trattamento superficiale post lavorazione per rendere la superficie della racchetta maggiormente lucida e adatta ad una verniciatura, così da non lasciare trasparire nessuna imperfezione del prodotto.
Il materiale Windform® GF si presta ad essere sottoposto a diversi trattamenti, ad esempio per lisciare maggiormente la superficie oppure per renderlo più resistente al contatto con liquidi in genere.
Per quanto concerne il risultato finale il cliente ha commentato:
“La racchetta prototipata è stata apprezzata sia per il nuovo concetto tecnologico espresso sia per l’accuratezza geometrica ed estetica. La risoluzione estetica è stata notevolmente migliorata e definita.
Dal punto di vista pratico la possibilità di incordare un prototipo ha sicuramente accelerato le considerazioni dell’incordatore e quindi velocizzato l’industrializzazione del prodotto finito.
I test di laboratorio e pratici attualmente in atto ci daranno certamente la possibilità di migliorare e raffinare le analisi e la progettazione dei componenti al fine di poter utilizzare i pezzi prototipati anche sul campo di gioco.”
In aggiunta a ciò, in accordo con il cliente, il telaio non ha presentato alcun problema dal punto di vista resistenziale essendo questo ultimo solo di supporto agli inserti che supportano il carico delle corde.
Dal punto di vista tecnico, certamente la tensione delle corde sottopone gli inserti ad un notevole carico statico concentrato. I passacorde, sui quali vengono avvolte le corde, sono stati sottoposti ad un carico uniformemente distribuito di circa 30 kg, mentre nei campioni di produzione la tensione statica sui ponti di supporto arriva a 70 kg ed aumenta ulteriormente in regime dinamico (durante l’impatto della pallina). Come detto però qui il prototipo non è stato testato dinamicamente.
Per questo motivo le racchette definitive vengono prodotte in carbonio laminato.
La racchetta in questione, infatti, sarà costruita completamente in fibra di carbonio e avrà un peso di 240g (finita con verniciatura, parti plastiche, corde, etc.). Il peso del raw frame è previsto pari a 180g anche se gli elementi accessori la rendono certamente più pesante.