Additive Manufacturing

La manifattura additiva, in generale conosciuta anche come stampa 3D, rappresenta una delle principali tecnologie abilitanti del nuovo paradigma dell’Industria 4.0, essendo in

grado di modificare radicalmente i processi produttivi. La “additive manufacturing” costituisce, insieme alla tradizionale “manifattura sottrattiva”, di cui ne sono esempi la tornitura e la fresatura, e alla “manifattura formativa”, come la forgiatura o la fusione, una delle tre principali metodologie dell’intera tecnologia di produzione74.

Stando alla definizione proposta dalla ASTM Committee F42 sulle tecnologie AM, il termine “Additive Manufacturing” (AM) individua un processo di unione dei materiali per creare oggetti a partire dai dati del modello 3D, di solito strato dopo strato75, che si contrappone alle tradizionali tecniche di lavorazione come la manifattura sottrattiva. A differenza delle convenzionali tecniche di produzione, che fabbricano prodotti rimuovendo materiali e partendo da una massa più grande, la produzione additiva crea la forma dell’oggetto finale aggiungendo materiali. Sebbene si tratti di una metodologia di produzione sviluppatasi negli ultimi anni del XX secolo, come testimoniano i brevetti depositatesi sulla stessa, ha impiegato diversi anni per mettere a terra il suo intero potenziale. La AM comprende una vasta gamma di tecnologie capaci di tradurre i dati del modello solido virtuale in componenti fisiche. Essa, infatti, costituisce una serie di processi automatizzati mediante computer in grado di produrre oggetti fisici 3D, strato dopo strato, partendo da modelli di progettazione assistita tramite computer (CAD) e utilizzando materiali plastici, metallici, di ceramica compositi o biologici76_{. Il concetto di} “manifattura additiva”, quindi, comprende al suo interno qualsiasi modalità immaginabile di aggiunta di materiali al fine di creare una parte fisica tridimensionale. La trasformazione tecnica di AM si basa esclusivamente sui livelli e pertanto può essere chiamata anche tecnologia basata sui livelli o orientata ai livelli o addirittura tecnologia a strati, utilizzando tali termini come sinonimi77. Possiamo scomporre la tecnologia della manifattura additiva in tre passaggi fondamentali78, come esplicitato in fig. 5:

74 _{Gebhardt, A. (2012). Understanding additive manufacturing: rapid prototyping-rapid tooling-rapid}

manufacturing. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG.

75 _{ASTM Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies, & ASTM Committee F42 on Additive}

Manufacturing Technologies. Subcommittee F42. 91 on Terminology. (2012). Standard terminology for additive manufacturing technologies. ASTM International.

76 _{Huang, Y., Leu, M. C., Mazumder, J., & Donmez, A. (2015). Additive manufacturing: current state,}

future potential, gaps and needs, and recommendations. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 137(1), 014001.

77 _{Gebhardt, A. (2012). Understanding additive manufacturing: rapid prototyping-rapid tooling-rapid}

manufacturing. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG.

78 _{Huang, S. H., Liu, P., Mokasdar, A., & Hou, L. (2013). Additive manufacturing and its societal impact:}

1) Un modello solido 3D computerizzato viene sviluppato e convertito in un formato di file AM standard.

2) Il file viene successivamente inviato ad una macchina AM dove viene modificato (esempio ridimensionando la parte interessata).

3) Infine si procede a realizzare strato dopo strato la parte sulla macchina AM.

FIGURA 5: FASI DELLA CATENA DEL PROCESSO. FONTE: GEBHARDT, A. (2012). UNDERSTANDING ADDITIVE MANUFACTURING: RAPID PROTOTYPING-RAPID TOOLING-RAPID MANUFACTURING. CARL

HANSER VERLAG GMBHCO KG.

Per realizzare determinati oggetti fisici ci sono molti e differenti processi AM che costruiscono e sviluppano i livelli in svariati modi: alcuni processi utilizzano energia termica mediante fasci laser o elettrici, altri sintetizzano il metallo al fine di formare una massa coerente senza fonderlo, mentre altri ancora utilizzano testine di stampa a getto d’inchiostro per spruzzare accuratamente il legante o il solvente sulla ceramica o il polimero in polvere.

Data la varietà di applicazioni delle tecnologia AM, che si estende attraverso una molteplicità di settori (es. aereospaziale, automobilistico ecc.) e lungo le diverse fasi del ciclo di sviluppo del prodotto, sono stati individuati una serie di vantaggi798081:

79 _{Mellor, S., Hao, L., & Zhang, D. (2014). Additive manufacturing: A framework for implementation.}

International Journal of Production Economics, 149, 194-201.

80 _{Huang, S. H., Liu, P., Mokasdar, A., & Hou, L. (2013). Additive manufacturing and its societal impact:}

a literature review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 67(5-8), 1191-1203.

81 _{Ahuja, B., Karg, M., & Schmidt, M. (2015, March). Additive manufacturing in production: challenges}

and opportunities. In Laser 3D Manufacturing II (Vol. 9353, p. 935304). International Society for Optics and Photonics.

 Possibilità di ridurre gli sprechi di materiali e il numero di materie prime utilizzate nella produzione, tramite un utilizzo efficiente delle stesse. Rispetto ai tradizionali metodi di produzione, la AM permette di realizzare i prodotti con minori consumi. Ad esempio le aziende aereospaziali utilizzano tale tecnologia per ridurre il peso delle navicelle spaziali e per minimizzare le spese per materie prime ad alto costo come il titanio.

 Possibilità di modificare rapidamente il design e di ottenere una personalizzazione dello stesso, dato che le macchine utilizzate non richiedono costose riconfigurazioni.

 Possibilità di ridurre il tempo utilizzato per la prototipazione e per la produzione del prodotto così come il tempo necessario per effettuare dei test, accorciando l’intero tempo che intercorre tra l’ideazione del prodotto e la sua commercializzazione sul mercato.

 Permette ai prodotti di essere ottimizzati per funzioni (es. nelle auto ottimizzare i canali di raffreddamento) e quindi dotati di maggiore funzionalità.

 Consente di realizzare prodotti personalizzati economicamente tramite la produzione di piccoli lotti in modo che la produzione stessa possa essere facilmente sincronizzata con la domanda dei clienti. I problemi di colli di bottiglia e di bilanciamento delle linee della produzione sono virtualmente eliminati poiché le parti complesse vengono prodotte in singoli pezzi.

 Possibilità di rendere più semplici i processi di approvvigionamento, mediante tempi di consegna più brevi, un numero inferiore di scorte e una stretta collaborazione e comunicazione con i propri fornitori, potendo questi ultimi svolgere un ruolo importante nell’implementazione efficace della tecnologia AM e nel consigliare eventuali modifiche operative ed organizzative all’utente.  Non sono necessari strumenti che riducano significativamente i tempi e le spese

di produzione poiché la preparazione preliminare rappresenta un elemento fondamentale nell’utilizzo delle tecnologie AM. Inoltre i prodotti finiti non necessitano di ulteriori rilavorazioni una volta realizzati.

Nonostante gli importanti benefici apportati dall’utilizzo delle tecniche di “additive manufacturing” sono ancora presenti molteplici limitazioni ed ostacoli alla loro affermazione:

 Limiti dimensionali dovuti principalmente ai materiali utilizzati per la costruzione (strato dopo strato) degli oggetti e alla capacità dimensionale delle stampanti stesse. Con i materiali a disposizione risulta difficile realizzare prodotti di grandi dimensioni, in quanto fragili e comportano tempi più lunghi necessari per completare il processo, nonché la scarsa possibilità di utilizzare contemporaneamente più materiali durante il processo.

 Limiti di costo dovuti principalmente agli ingenti ed onerosi investimenti richiesti per le apparecchiature AM. Inoltre i costi delle materie prime, della manodopera, delle macchine, degli accessori e i tempi operativi utilizzati nei vari processi comportano costi superiori rispetto alle tradizionali metodologie di produzione.  Limitata diffusione della tecnologia a livello aziendale poiché comporta, oltre ai

molteplici costi precedentemente esplicitati, una conoscenza tecnica e una preparazione professionale presenti solamente in aziende di più grandi dimensioni e dotate di un adeguato reparto di R&S.

Riassumendo possiamo affermare come la “manifattura additiva” rappresenti un’opportunità da cogliere per molte imprese interessate al design, alla sostenibilità ambientale, al razionale utilizzo delle risorse e alla funzionalità dei propri prodotti malgrado l’utilizzo di tale tecnologia comporti elevati investimenti e costi soprattutto nelle fasi di preparazione antecedenti alla produzione stessa.