Modello di racchetta in scala tennis 1:1 realizzata in

Caso Applicativo nell’industria dello Sport
Modello di racchetta in scala 1:1 realizzata in Windform ® e tecnologia SLS
Realizzare un prototipo è sempre una sfida, superare i limiti della conoscenza e dell’esperienza.
La prototipazione rapida rappresenta la tecnica più avanzata per ottenere, in tempi rapidi, il
modello finito da sperimentare.
CRP Technology, precursore in Italia nel campo dell’RP e della Tecnologia SLS, 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 per il Rapid
Prototyping.
E' nata così la famiglia dei materiali WINDFORM® che conta attualmente 7 diverse polveri:
WINDFORM® GF, WINDFORM® PRO, WINDFORM® PRO B, WINDFORM® XT, WINDFORM®
FX, WINDFORM® PS (adatto a produrre modelli a perdere per Investment Casting) e il nuovo
WINDFORM® LX.
Si distinguono tra di loro per peculiarità meccaniche, termiche, per la finitura superficiale e per
il colore, inoltre 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
Pertanto 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 dal prototipo.
Le polveri Windform possono inoltre essere affiancate dalla tecnologia del Reverse Engineering
poichè CRP offre attraverso questa metodologia d’analisi la possibilità di digitalizzazione del
modello fisico e la ricostruzione del pezzo direttamente dal CAD, con la possibilità di eseguire
la prototipazione rapida direttamente dal file STL, così come il controllo dimensionale delle
parti.
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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
(per 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 ®
nell’essere in grado di coprire diverse tipologie di prodotto e di soddisfare dunque le esigenze
del cliente, siano esse di carattere funzionale che di carattere e natura estetica.
Ne sono prova i due progetti seguiti dal nostro dipartimento RP di CRP Technology ed iniziati
nel settembre 2007, svolti in qualità di Partner Esclusivi con Prince Sports S.r.l. (Italia), situata
in Gardigiano di Scorzè.
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 tridimenionali
variazionali di ultima generazione, software di analisi strutturale, attrezzature di prototipazione
3D, attrezzature di laboratorio per analisi a microscopio, analisi con camera ad altà
frequenza,ecc,ecc.
Il progetto
La collaborazione intrapresa negli ultimi mesi del 2007 ha visto due diversi momenti di
sviluppo e di applicazione:
1.
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 nostro cliente era quella di ottenere, sulla
base della nostra esperienza, campioni che potessero essere testabili, e quindi utilizzati
durante il gioco;
2.
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 PrinceSports: la realizzazione in scala 1:1 di un prototipo di una2
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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, dunque, 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 alla CRP Technology s.r.l, 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 nostro reparto RP 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 stato certamente 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 nostro migliore materiale prototipale Windform ® XT,
caricato fibre di carbonio, proprio in virtù delle sue proprietà ineguagliabili di accuratezza
dimensionale, definizione del dettaglio e massimo carico di rottura. Esse lo hanno reso il
materiale per eccellenza del Rapid Manufacturing.
Lanciato nel 2004 ad Euromold in Germania, da allora ha riscosso un grandissimo successo
soprattutto per applicazioni di galleria del vento ed in generale per la F1.
Windform® XT è infatti caratterizzato da rigidezza e resistenza alla rottura altissime,
eccellente finitura superficiale, resistenza all’usura estrema ed ottima riproduzione dei dettagli.
Windform® XT si presenta anche con un’attraente look nero scintillante, apprezzabile in molte
applicazioni di design o con funzionalità comunque anche estetiche, come per il nostro
progetto. 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
geometrie inizialmente proposte una di essere risultava essere abbastanza esile e fragile, visto
lo spessore estremamente sottile, mentre la seconda geometria era certamente più robusta e
perciò consentiva di realizzare prototipi delle clip conformi alle resistenze e agli sforzi richiesti
dal cliente.
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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.
Dobbiamo, 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 PrinceSports) 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, confermandoci poi la sua volontà nel volere impiegare i nostri 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 nostro reparto R&S e RP fu proposto al nostro cliente l’ultimo nato
della famiglia Windform: il Windform® FX.
Considerate infatti le valutazioni sul carico e la funzionalità del pezzo forniteci dal cliente,
abbiamo ritenuto che potesse essere proficuo potere testare un nuovo inserto realizzato questa
volta con il nostro nuovo materiale Windform ®
FX. Quest’ultimo infatti 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.
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Immagine 1: Geometria finale dell’inserto: l’inserto è stato dal cliente allungato ed esteso in
tutta la perimetria della racchetta.
Dopo lo studio del file aggiornato e le doverose verifiche di fattibilità anche da un punto di vista
dimensionale, il nostro dipartimento RP ha proceduto con la realizzazione delle clip in 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.
Immagine 2: Campione degli inserti realizzati in Windform FX
Nonostante questi prototipi vennero utilizzati come campioni dimostrativi, in ogni caso, 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
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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 quindi 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&D 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 da noi realizzate 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.
Immagine 3: Componenti della racchetta Prince, realizzati on Windform FX e GF
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Tutti i componenti in questione sono stati poi 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.
A detta del nostro stesso cliente, Prince Italia srl., 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 comunque 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 certamente conto:
1. delle dimensioni della struttura in rapporto al volume di sinterizzazione delle nostre macchine
di RP pari ad un massimo di 330x380x420mm.
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 da noi 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”.
2. 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.
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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 nostro materiale Windform® GF, il
primo della famiglia, materiale composito con aggiunta di alluminio e vetro, di colore grigio
chiaro. Esso è certamente indicato in molte applicazioni, come in galleria del vento ed anche in
applicazioni di design e in applicazioni funzionali, vista la rigidezza superiore, l’eccellente
finitura superficiale, la resistenza all’usura, e l’ottima riproduzione dei dettagli.
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 nostre 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, dal momento che il materiale GF è certamente all’interno della
famiglia Windform quello che offre un migliore rapporto qualità-prezzo.
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 nostro nuovo materiale di colore bianco, 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.
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Immagine 4: Il bumper realizzato in Windform FX
Gli Inserti
Sono stati applicati al modello finale presentato in America anche gli stessi inserti realizzati in
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 nostro consueto trattamento di lisciatura ed inviata al cliente per la fase di
verniciatura finale.
Per questa finalità, l’intero frame realizzato in GF venne sottoposto, su nostro suggerimento 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 infatti 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 la parola la lasciamo ai commenti del nostro cliente:
“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, possiamo aggiungere che 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
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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.
Immagine 5: Realizzazione finale della racchetta
La racchetta in questione, infatti, sarà costruita completamente in fibra di carbonio e avrà un
peso di 240g (finita con vernicitura, parti plastice,corde, etc.). Il peso del raw frame è previsto
pari a 180g anche se gli elementi accessori la rendono certamente più pesante .
Possiamo dunque concludere sottolineando ancora una volta l’efficacia dell’RP e della
tecnologia SLS combinata ai nostri materiali Windform, in primis, come materiali che combinati
con SLS technology sono in grado di supportare e coadiuvare la fase di progettazione per la
verifica dei limiti e dei possibili difetti del lavoro svolto, rendendo “ready to use” le parti
realizzate e permettendo anche di testarle e di sottoporle a prove funzionali.
In secondo luogo, i materiali Windform hanno dimostrato di potere soddisfare anche le
esigenze estetiche del cliente e di potersi pertanto prestare anche ad applicazioni pertinenti il
mercato del design, dove è estremamente importante la presentazione stessa del prodotto al
cliente, per potere offrire l’opportunità di toccare con mano un modello realistico in ogni sua
parte, che riproduce perfettamente e nel dettaglio il progetto finale, e che consente di ridurre
incredibilmente i tempi di messa a punto per la customizzazione del prodotto.
Per ulteriori informazioni:
CRP Technology Press Office Manager: Francesca Cuoghi [email protected]
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