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L’Additive Manufacturing: tecnologie emergenti per la produzione industriale

ARTICOLO PROPRIETARIO - Autore: GIULIA BROGLIA, Technology & Innovation Advisor. Con patrocinio CRIT e ICIM GROUP

Oggigiorno è difficile non aver mai sentito parlare di Additive Manufacturing (AM) per la produzione di componenti, sia con materiali polimerici che metallici. Dai primi brevetti pioneristici degli anni ’80, l’AM ha fatto passi a gigante ottenendo risultati che molte altre tecnologie non sono riuscite mai a raggiungere in 30 anni. La produzione additiva è un ampio insieme di tecnologie che possono ad oggi trasformare quasi tutti i materiali. L’American Society for Testing and Materials (ASTM) ha individuato sette classi principali di tecnologie, in base alla tipologia di deposizione e dei materiali trattati che, tuttavia, a distanza di 10 anni dalla loro prima definizione, sembrano non rispondere più all’attuale panorama. Nell’ultimo decennio, l’AM ha subito un forte slancio evolutivo che l’ha portata ad essere da tecnologia utilizzata per prototipazione rapida e limitate produzioni di nicchia a vera e propria tecnologia di produzione per le imprese.

All’inizio della diffusione, i processi di AM sembravano magie da alchimisti in quanto molto spesso le prime macchine erano molto instabili e per ottenere prototipi o componenti funzionali erano richieste competenze sinergiche di meccanica, progettazione e scienza dei materiali, oltre a una perfetta conoscenza della macchina stessa. Negli ultimi anni, la ricerca è stata indirizzata soprattutto per migliorare il monitoraggio e la stabilità dei processi e, grazie a questi sforzi, oggi è possibile avere testimonianza delle prime industrializzazioni e produzioni di componenti in AM. Di recente, poi, alcuni dei brevetti cardine che proteggevano alcune tecnologie AM sono scaduti, aprendo allo sviluppo di nuove soluzioni con prezzi più contenuti e maggiormente attraenti per alcune applicazioni sul mercato. Inoltre, la ricerca per abbattere i costi delle macchine ha contribuito a stimolare l’evoluzione di tecnologie “derivate” (ad esempio l’uso di processi di estrusione per i materiali metallici) considerate strategiche per lo sviluppo di soluzioni chiavi in mano per l’industria. Il rapido sviluppo delle tecnologie e la maggiore consapevolezza delle potenzialità dell’AM da parte dell’industria hanno aumentato enormemente l’interesse verso questo settore, velocizzando le evoluzioni in esso in atto.

QUALI FATTORI PRENDERE IN CONSIDERAZIONE PER PASSARE ALL’AM?

Figura 1 – I principali fattori di vantaggio delle tecnologie additive

 

Per approcciare nella maniera migliore l’introduzione dell’AM tra i processi di fabbricazione industriali senza rimanere scottati o creare pregiudizi sulla sua applicabilità è bene prendere in considerazione i principali fattori che possono rendere vantaggioso e favorevole il passaggio all’AM.

Il primo fattore da valutare è la libertà di progettazione. Rispetto alle altre tecnologie di produzione, l’AM introduce molti meno vincoli di progettazione. Geometrie considerate impossibili o che necessitano di diversi componenti assemblati, diventano fattibili attraverso la stampa 3D. Questa opportunità apre nuove vie per la realizzazione di componenti complessi oppure che richiedono particolari disegni (e.g. circuiti di raffreddamento degli stampi).

Altro punto di forza dell’AM è l’indipendenza dalle economie di scala: a differenza di altre tecnologie quali, ad esempio, lo stampaggio ad iniezione, l’AM non necessita dell’utilizzo di stampi o altre attrezzature, ammortizzabili solo se si produce un determinato numero di parti, dunque il costo per una parte prodotta in AM dipende solo dal costo della materia prima e del processo. Questa indipendenza può essere una delle ragioni che rende conveniente utilizzare l’AM, basti pensare alla produzione di piccole serie. Poiché, infatti, ogni oggetto stampato di una serie ha lo stesso costo e non è più fondamentale garantirne una determinata produzione per ritornare dell’investimento, la produzione di piccoli lotti diventa competitiva.

Legato al concetto di piccole serie, c’è quello della personalizzazione di massa. L’AM permette di personalizzare ogni componente in base alle richieste del cliente, come geometrie o altre caratteristiche particolari, senza impattare significativamente sui costi della produzione. Questo la rende la tecnologia elettiva per applicazioni in cui l’estrema personalizzazione rappresenta il reale valore aggiunto, come nel settore calzaturiero (esempio principe è la personalizzazione dei plantari per le scarpe dei runner da parte di ADIDAS) o in quello delle protesi ortopediche.

Infine, la gestione della ricambistica trova nell’AM un’ottima alleata. Prodotti complessi con migliaia di parti richiedono alle aziende di mantenere magazzini di grandi dimensioni e con un elevato valore immobilizzato. Inoltre, alcuni di questi prodotti hanno un ciclo di vita di oltre 30 anni che rende difficoltoso il reperimento dei ricambi. Grazie all’AM si potrebbero ridurre le parti a magazzino, stampando i ricambi solo quando necessari e, nel caso di parti obsolete si potrebbe produrre direttamente dal disegno 3D (quando disponibile) o utilizzando una riproduzione tridimensionale della parte ottenuta tramite appositi scanner 3D.

TECNOLOGIE ADDITIVE MANUFACTURING

Le tecnologie per Additive Manufacturing sono conosciute da oltre 30 anni per la loro applicazione nella prototipazione rapida di componenti e parti. Oggi, oltre ad essere ancora applicate per la realizzazione di prototipi, esse sono utilizzate in molte aziende per la produzione di componenti industriali assemblati sul prodotto finito. Infatti, le macchine AM hanno raggiunto livelli di stabilità di processo e di finitura della parte che le rendono macchine per la produzione a tutti gli effetti.

Le tecnologie additive sfruttano sia materiali polimerici che metallici. Le soluzioni per i metalli sono quelle che hanno osservato le maggiori evoluzioni negli ultimi anni, trainate dalle potenzialità che le caratterizzano. Tuttavia, i processi di produzione possono essere ancora instabili e la mancanza di metodologie di validazione prodotto consolidate stanno rallentandone la diffusione come soluzioni per la produzione industriale.

Le principali tecnologie AM ad oggi sul mercato sono:

  • MATERIAL EXTRUSION. Il materiale, polimero o metallo, preventivamente rammollito, viene depositato in strati tramite un ugello sottoforma di filo continuo. Le potenzialità di questa tecnologia sono rappresentate da una buona velocità di processo e dalla possibilità di produrre componenti di grandi dimensioni, ma caratterizzati da una bassa finitura superficiale;
  • MATERIAL JETTING. È la tecnologia che si basa sulla classica stampa 2D: una testina di ugelli distribuisce il materiale sulla superficie di stampa, andando a costituire strato dopo strato il componente.
  • BINDER JETTING. Nel binder jetting, le polveri sono consolidate in un green tramite lo stampaggio del legante per poi essere consolidate nel componente finale tramite un trattamento termico di sinterizzazione o reticolazione. I risultati ottenuti per i polimeri e le sabbie sono stati mutuati negli ultimi anni per le polveri metalliche.
  • VAT PHOTOPOLYMERIZATION. Questa soluzione utilizza polimeri che possono reticolare grazie all’interazione con una sorgente luminosa. Essa può stampare simultaneamente un intero strato del componente per volta, velocizzando il processo. Inoltre, le componenti stampate hanno una buona finitura superficiale, grazie al post-processo. Nonostante il costo ridotto che hanno queste stampanti, il costo dei materiali e le piccole dimensioni che sono ad oggi raggiungibili, ne limitano in parte l’utilizzo.
  • SELECTIVE LASER SINTERING. Essa si basa sulla sinterizzazione/fusione selettiva di uno strato di polveri polimeriche o metalliche. Tramite una sorgente luminosa, le polveri sono consolidate per creare i vari strati che comporranno i pezzo finito. Ad oggi, essa è una delle soluzioni più versatili e idonee all’industrializzazione, sia per i materiali trattati, sia perché ha volumi di stampa maggiori rispetto a quelli delle altre tecnologie.
  • DIRECT ENERGY DEPOSITION. Questa tecnologia nasce come evoluzione del laser cladding. Una sorgente di calore è associata ad un ugello e un sistema di distribuzione delle polveri: la polvere fuoriesce dall’ugello ed è riscaldata dalla fonte di calore per poi depositarsi sul substrato in forma di fuso. Questa tecnologia è molto versatile, tuttavia la finitura superficiale limitata e la scarsa stabilità del processo la rendono una soluzione ancora poco diffusa.

DAL COSTO ALLE CERTIFICAZIONI, LE SFIDE FUTURE PER LE TECNOLOGIE ADDITIVE

Photo by Tom Claes on Unsplash

 

L’AM ha dimostrato con le sue potenzialità di poter rappresentare la prossima rivoluzione nella produzione industriale. I suoi punti di forza la rendono estremamente versatile e permettono di superare i limiti che oggi hanno le tecnologie di produzione tradizionali. Per raggiungere questo obbiettivo, l’AM deve superare alcune sfide che ad oggi potrebbero ostacolare la sua diffusione.

In primo luogo, è necessaria una riduzione dei costi. Il prezzo della macchina, delle materie prime e della gestione del processo sono ancora molto elevati, anche se hanno subito riduzioni negli ultimi anni. In molti casi diventa così difficile giustificare economicamente il passaggio da tradizionale ad AM, se non per progetti speciali o per la produzione di componenti particolarmente difficili da reperire (es.: ricambi di parti obsolete). Ciò è particolarmente vero per le componenti in metallo, dove i costi sono ancora maggiori. Per superare questa sfida, in ambito AM si sta notando una derivazione di tecnologie per il metallo da soluzioni più tradizionali, come il laser cladding o l’utilizzo di polveri metalliche tradizionali per il binder jetting.

Un altro fattore che potenzialmente potrebbe limitare la diffusione di queste tecnologie è la capacità di produzione: a causa delle ridotte aree di stampa e velocità di processo, la capacità produttiva può rappresentare un limite importante. Negli ultimi anni si è cercato di superare queste barriere, tuttavia spesso non si è in grado di raggiungere gli stessi livelli delle tecnologie tradizionali.

Un’altra sfida, sempre legata al processo, è la gestione delle certificazioni e della qualità. Essendo tecnologie nuove ed emergenti, non è disponibile una collezione di dati tale da poter prevedere comportamenti e qualità dei componenti prodotti con AM. I gruppi di lavoro all’interno dei vari enti di normazione stanno lavorando a doppia velocità per definire linee guida e metodologie per la validazione dei processi di AM.

Infine, ultimo ma non meno importante, è il cambio di mentalità che un’azienda deve attuare per passare con successo all’AM. Come per ogni novità, anche intorno all’AM si sono generate dapprima grandi aspettative che, poco dopo, si sono tramutate in delusioni, perché le sperimentazioni non sempre hanno dato i risultati attesi. Ciò, evidentemente, ha alimentato pregiudizi che, in qualche modo, ne hanno anche influenzato l’introduzione nell’industria. Per questo è necessario creare un sistema di formazione dei tecnici e dei progettisti che li informi in maniera chiara sulla tecnologia, fornisca le basi per un nuovo modo di progettare orientato all’AM (Design For Additive Manufacturing), dia ampio spazio alla sperimentazione e favorisca la loro volontà di uscire dalla zona di comfort rappresentata dalle tecnologie tradizionali.

CONCLUSIONI

L’AM sta dimostrando tutte le sue potenzialità e il mercato è sempre più interessato ai risultati ottenibili con queste tecnologie. La libertà di progettazione e l’estrema personalizzazione sono solo alcune dei punti di forza che traineranno la sua diffusione in futuro. Tuttavia, l’AM sta soffrendo di una sorta di ansia da prestazione dovuta alla crescita esponenziale del mercato, che non ha permesso di seguire i normali tempi e percorsi di sviluppo della tecnologia. Questo non significa che l’AM non possa soddisfare le aspettative del mercato: semplicemente, è una tecnologia che ha ancora bisogno di essere sviluppata, seguendo le giuste tempistiche, per poter manifestare il suo potenziale per intero.