Produzione VR tramite stampaggio a iniezione

Il primo auricolare VR di Ivan Sutherland, chiamato “Sword of Damocles”, pesava circa 10 libbre (circa 4,5 kg). Era pesante e scomodo da indossare per lungo tempo. Per questo motivo, veniva sostenuto dal soffitto con un braccio meccanico. Le nuove tecniche di produzione della VR hanno puntato sull'alleggerimento per rendere i dispositivi più comodi da indossare a lungo.

Il peso medio delle nuove cuffie VR varia da 1,1 a 1,5 libbre (circa 500-800 grammi), senza la cinghia e il pacco batteria. Ad esempio, Meta Quest 3, uscito nel 2023, pesava circa 1,14 libbre (515 grammi). Il Pico 4, uscito nello stesso anno, aveva un peso di circa 1,3 libbre (586 grammi).

L'attenzione delle aziende produttrici di componenti VR si sta spostando verso la leggerezza, l'ergonomia e l'alta precisione/risoluzione. Questa tendenza sta trasformando le ingombranti cuffie in eleganti dispositivi indossabili tutto il giorno.

Le parti in plastica sono al centro della produzione di VR leggeri

L'evoluzione delle parti in plastica nella produzione di VR è stata una strategia importante utilizzata dai produttori per ottenere la leggerezza. Questo è particolarmente importante perché la plastica rappresenta circa il 50-70% dei componenti VR. L'involucro esterno, le cinghie per la testa e la struttura interna sono principalmente realizzati in plastica resistente. Le strategie di produzione dei componenti VR in evoluzione includono: 

• Utilizzo di materiali avanzati: I produttori di VR stanno sostituendo le plastiche tradizionali con alternative avanzate, come la fibra di carbonio, per ridurre il peso senza compromettere l'integrità strutturale.
• Distribuzione del peso: Molti dei modelli del 2025 erano caratterizzati dall'uso di un sistema di cinghie a raggiera per spostare il centro di gravità più vicino alla testa dell'utente.
• Circuiti stampati con interconnessione ad alta densità (HDI): La tecnologia HDI viene utilizzata per confezionare i componenti in modo più ravvicinato, utilizzando microfori e tracce di larghezza inferiore.
• Tecniche di produzione di precisione: L'uso dello stampaggio a iniezione VR di precisione per le parti in plastica e di altre tecnologie avanzate, ad esempio lo stampaggio ad alta temperatura del vetro per le lenti, consente ai produttori di soddisfare le esigenze di alta precisione.

La necessità di affrontare i disagi fisici dell'utente (cervicale e mal di testa) e la spinta verso la creazione di cuffie VR realmente wireless sono alcuni dei fattori che determinano le continue innovazioni del settore.

Componenti strutturali e funzionali delle cuffie VR

Una cuffia VR è un dispositivo complesso. La parte anteriore, detta anche visore, è l'area più critica. Ospita le lenti, i sensori e il “cervello” del dispositivo. Il guscio esterno in plastica rigida protegge l'elettronica interna, garantendo al contempo stabilità e comfort a chi lo indossa.

Le cuffie VR possono essere suddivise in tre parti: le parti strutturali esterne, i componenti funzionali e le parti ottiche.

Opzioni di materiale per i componenti della produzione VR

I materiali utilizzati nella produzione di VR si concentrano sul bilanciamento del peso per il comfort e le prestazioni dell'utente. Altri fattori che i produttori di VR considerano durante la selezione dei materiali sono la durata e la gestione termica. Ad esempio, l'involucro o il guscio esterno è realizzato con una precisione estrema utilizzando plastica ad alte prestazioni per bilanciare leggerezza e durata. La precisione estrema aiuta a mantenere allineate le ottiche.

• Involucro VR: Per l'involucro vengono utilizzate materie plastiche come i policarbonati (PC) e l'acrilonitrile butadiene stirene (ABS), o la miscela PC+ABS, che offrono un equilibrio tra rigidità e leggerezza. Per ridurre ulteriormente il peso, i produttori di stampi a iniezione VR utilizzano spesso pareti sottili e design a coste con reticoli.
• Componente ottico: Per le lenti vengono utilizzati speciali materiali trasparenti con un'eccellente resistenza ai graffi. Un buon esempio di materiale utilizzato per la realizzazione di lenti VR è il copolimero olefinico ciclico (COC) con trasmittanza luminosa ≥ 92%.
• Comfort di vestibilità: L'elastomero termoplastico (TPE), un materiale flessibile e morbido, viene utilizzato per i componenti antiscivolo, migliorando così il comfort d'uso, soprattutto per gli utilizzatori di lunghe sessioni.

Tecnologie chiave nella progettazione di stampi a iniezione VR

Il processo di progettazione di uno stampo per la produzione di cuffie VR prevede tecnologie specializzate e di alta precisione. Il fulcro delle tecnologie chiave è la realizzazione di componenti leggeri con geometrie complesse e finiture superficiali di qualità superiore.

Il processo di creazione di stampi per lo stampaggio a iniezione VR inizia spesso con l'uso di software CAD, CAM o CAE avanzati come SolidWorks o ProE, in combinazione con l'analisi Moldflow per garantire la progettazione per la producibilità (DFM). Il software avanzato è fondamentale per ottimizzare lo spessore delle pareti e il raffreddamento. Tre aspetti chiave della progettazione di stampi a iniezione VR sono:

1. Controllo di precisione: La lavorazione CNC ad alta velocità e precisione viene utilizzata per garantire l'estrema precisione dimensionale degli stampi. Una delle principali sfide dello stampaggio a iniezione per gli involucri VR è l'ottenimento di una superficie lucida e priva di difetti. Questo problema può essere superato ottimizzando i parametri di stampaggio a iniezione, come velocità, pressione e temperatura. I difetti più comuni, come la deformazione e il ritiro nelle forme complesse, possono essere ridotti ottimizzando il sistema di raffreddamento.
2. Ottimizzazione strutturale: Gli alloggiamenti curvi e le fibbie complesse devono spesso affrontare molteplici sfide con gli stampi convenzionali in due parti. I problemi più comuni nello stampaggio di alloggiamenti VR curvi includono la formazione incompleta dei dettagli e le difficoltà di stampaggio. La struttura multi-slide + inserto è stata progettata per risolvere questi problemi. Può essere utilizzata per creare pezzi con sottosquadri intricati e multidirezionali e forme complesse.
3. Trattamento della superficie: I segni di flusso e le linee di saldatura sono difetti estetici che possono derivare da un flusso incoerente di plastica fusa. La riduzione della micro-rugosità della superficie dello stampo o la lucidatura a specchio riducono significativamente la resistenza all'attrito tra la plastica fusa e la cavità dello stampo. I segni di lavorazione iniziali vengono rimossi con pietre ad olio di grana 180-600. La levigatura viene eseguita con carta vetrata umida di grana da 400 a 1600. La lucidatura finale si ottiene con pasta diamantata (0,25µm o 0,5µm).

Requisiti del cliente

Un cliente specializzato nella produzione di dispositivi indossabili VR aveva bisogno di una copertura frontale per cuffie VR personalizzata. Il loro precedente fornitore non era in grado di superare il problema della deformazione derivante dalle pareti estremamente sottili del pezzo. Inoltre, c'era il problema della precisione di assemblaggio inferiore agli standard.

Il cliente era ansioso di trovare un produttore di stampi a iniezione VR in grado di superare le sfide. Il cliente è stato rassicurato sulla capacità di First Mold di risolvere i problemi dopo un tour completo della struttura dell'azienda e dopo aver esaminato gli album dei progetti precedenti. I requisiti dettagliati del cliente comprendevano:

• Spessore della parete del pezzo 1,0 mm,
• Peso ≤25g,
• Nessun segno di scorrimento sulla superficie,
• Tolleranza di montaggio ±0,03 mm,
• Tasso di rendimento della produzione di massa ≥98%

Sfide

Per ottenere un peso ≤25g non è bastato sostituire i materiali. Per prima cosa gli ingegneri di Mold hanno dovuto ripensare il progetto, in collaborazione con il cliente. È stato necessario identificare le aree non critiche utilizzando l'analisi agli elementi finiti (FEA). Per garantire la rigidità, sono state aggiunte delle nervature al posto dei materiali solidi.

Per ridurre ulteriormente il peso delle cuffie VR, si è preferito un design a scatto rispetto alle viti. Tuttavia, ciò richiedeva una tolleranza ristretta per garantire che le parti si incastrassero saldamente tra loro durante l'assemblaggio.

Soluzione

First Mold ha adottato la struttura di stampaggio a iniezione assistita da gas (GAIM) per la progettazione dello stampo a iniezione VR. Questo metodo ha offerto vantaggi significativi rispetto allo stampaggio tradizionale, utilizzando gas azoto pressurizzato per creare sezioni cave. Il GAIM ha ridotto l'utilizzo di resina di oltre 20%. Inoltre, ha permesso di ottimizzare la distribuzione del materiale e di migliorare la qualità complessiva della superficie.

Lo stampaggio a iniezione assistito da gas crea sezioni cave con raffreddamento differenziale. In altre parole, le sezioni cave si raffreddano più rapidamente di quelle solide. Pertanto, è stato necessario introdurre canali di raffreddamento precisi. L'ottimizzazione dei canali di raffreddamento era importante per evitare un raffreddamento non uniforme, che può portare a deformazioni. Un canale di raffreddamento ottimizzato era importante anche per massimizzare la velocità di produzione.

La troncatura è stata ottimizzata per le aree non visibili. Questa decisione di progettazione è stata presa durante la fase CAD per garantire che le linee di giunzione restino nascoste. Mantenere nascoste le linee di giunzione ha permesso a First Mold di mantenere l'impeccabilità estetica del 100% sulla superficie dell'involucro delle cuffie VR.

Regolazione del processo

Il materiale scelto per la produzione di parti in plastica VR è una miscela di PC+ABS rinforzata con fibre di vetro. La combinazione di questo materiale con lo stampaggio a iniezione assistito da azoto impedisce la decomposizione del materiale. L'azoto agisce infatti come un gas inerte che sostituisce l'ossigeno all'interno del cilindro e dello stampo.

Lo spostamento dell'ossigeno impedisce la degradazione del polimero alle alte temperature. Questa tecnica previene anche la decolorazione e mantiene la resistenza meccanica della plastica.

Sistema di controllo qualità

First Mold ha utilizzato un monitoraggio in tempo reale con sensori di pressione all'interno dello stampo. I sensori misurano la pressione della cavità (fino a 2.000 bar) e la temperatura. Forniscono dati istantanei sul riempimento dello stampo, sull'imballaggio e sul congelamento della porta per individuare immediatamente i difetti. Ciò ha contribuito a ridurre gli scarti.

I tecnici di First Mold hanno effettuato un'ispezione approfondita del pezzo finito utilizzando una macchina di misura a coordinate (CMM). Lo scanner ha misurato le geometrie esterne per individuare le deformazioni che a occhio nudo potrebbero facilmente sfuggire. La misura è stata confrontata con la cianografia del prodotto per verificarne la coerenza.

Risultati finali e testimonianze dei clienti

First Mold non si è limitata a fornire uno stampo. L'azienda ha fornito un sistema di stampaggio a iniezione VR che ha aiutato il cliente a superare alcune delle precedenti sfide produttive incontrate con il precedente fornitore. La soluzione fornita da First Mold ha aiutato il cliente a creare componenti VR leggeri. In questo modo il prodotto è risultato più leggero di molti prodotti di marchi concorrenti presenti sul mercato, offrendo agli appassionati di VR il comfort di un'esperienza di utilizzo più lunga.