2. Le tecnologie abilitant
2.1 Manifattura additiva e stampa 3D
La fabbricazione additiva è il risultato di ciò che si ottiene per mezzo della stampa in tre dimensioni, si tratta di una tecnica produttiva che permette di realizzare parti componenti, semilavorati e prodotti finiti aggiungendo e sommando strati successivi di materiale ciò è reso possibile dall’utilizzo di sistemi informatici evoluti che consentono un dialogo tra computer e macchine e una maggiore condivisione di contenuti informativi resa possibile dallo sviluppo della rete internet27.
La manifattura classica invece utilizzava la tecnica di “sottrazione dal pieno” in quanto basata sul concetto di “manifattura sottrattiva” dove veniva ricavato dalla materia grezza per mezzo di una serie di lavorazioni tra cui torchiatura, tornitura e fresatura l’oggetto da realizzare.
La stampa 3D dalla metà degli anni ’80 del secolo scorso ad oggi ha subito un processo evolutivo che ha permesso di ampliare le opportunità di utilizzo di tale tecnologia consentendo innanzitutto la produzione di oggetti sempre più grandi e di aumentare la possibilità di scelta dei materiali da poter utilizzare, inoltre la tecnologia si è evoluta in termini di riduzione dei tempi di produzione e di costi di acquisizione, permettendogli perfino di diventare un valido sostituto alle tecnologie tradizionali in numerosi contesti produttivi.
La tecnica additiva ha permesso di costruire oggetti con geometrie molto complesse in pezzi unici modificandone la struttura costruttiva e limitando in maniera notevole l’utilizzo dei materiali, trasferendo agli elaborati maggiori caratteristiche prestazionali dovute all’utilizzo di nuovi materiali, permettendo inoltre di annullare tutti i costi derivanti dalla realizzazione delle varianti al modello base.
27 Fonte: Centro Studi Confindustria Autori vari, “La manifattura additiva, alcune valutazioni economiche
31 La metodologie di stampa 3D talvolta presentano tutta una serie di peculiarità che ne determinano i relativi vantaggi e svantaggi, diventa perciò indispensabile un analisi approfondita delle diverse tecnologie a disposizione e del processo comune che sta alla base di ognuna di esse.
Il processo di realizzazione di oggetti con l’ausilio della tecnologia di stampa in tre dimensioni prevede tre fasi28:
Modellazione; Slicing;
Stampa;
La modellazione consiste nella fase di acquisizione dei dettagli dell’oggetto sul software CAD (Computer Aided Design) per la modellizzazione in 3D apportando se necessarie le modifiche del caso, andando a creare un file di tipo vettoriale che successivamente viene sottoposto alla fase di slicing che consiste nella suddivisione del modello virtuale precedentemente creato in strati che la stampante potrà creare in successione, da tale attività ne deriva la creazione di un file in formato compatibile per la stampante in uso.
A questo punto è possibile procedere con la fase di stampa, attualmente le tecnologie di stampa in tre dimensioni sono riconducibili fondamentalmente a quattro metodologie29: Estrusione; Fotopolimerizzazione; Tecnologie granulari; Laminazione;
28 Fonte: PwC, “Digital Manufacturing: Cogliere l’opportunità del rinascimento digitale” 29 Fonte: PwC, “Digital Manufacturing: Cogliere l’opportunità del rinascimento digitale”
32 La tecnologia di estrusione risulta la tipologia più diffusa ed utilizzata soprattutto dagli utilizzatori di stampanti entry-level in quanto risulta di facile implementazione, il processo di stampa consiste nel deposito di un filo di materiale, secondo il modello CAD, su vari livelli progressivi, di un materiale semi-liquido per mezzo di un ugello riscaldato (detto appunto estrusore) e depositato su una superficie per formare l’oggetto strato dopo strato, questa tecnologia è anche conosciuta come Fused Deposition Modelling (FDM) e viene utilizzata soprattutto per la produzione di stampi, strumenti e oggettistica varia I materiali utilizzabili nella tecnologia di etrusione sono: ABS, PLA, policarbonato, polimeri vari, cemento, ceramica, legno ed ingredienti alimentari come cioccolato e zucchero.
Questa tecnologia consente l’utilizzo simultaneo di più materiali dando di fatto la possibilità di raggiungere una robustezza maggiore rispetto ai materiali tradizionali, nasconde allo stesso modo dei limiti di seguito riportati:
Superfici degli oggetti non sempre particolarmente lisce; Elevati tempi di stampa;
Possibili imperfezioni nell’adesione fra gli strati; Rischio deformazione;
Le metodologie della fotopolimerizzazione consistono nella solidificazione di un polimero liquido attraverso l’esposizione alla luce di un proiettore o di un laser e si caratterizzano in generale per la possibilità di costruire forme geometriche complesse in alta risoluzione e con un alta velocità di stampa con uno scarto di produzione piuttosto ridotto, vengono utilizzate soprattutto in ambito medico/odontoiatrico e in ambito industriale per la produzione di stampi.
33 Le metodologie di fotopolimerizzazione si suddividono in:
STEREOLITOGRAFIA
Descrizione: È la prima tecnologia di manifattura additiva che sia stata implementata, la base di appoggio si trova immersa nel materiale (resina liquida); un raggio ultravioletto viene diretto attraverso la superficie secondo il modello 3D, indurendo il materiale e formando il primo strato. La base viene quindi abbassata, rimanendo sempre immersa nel materiale, e il primo strato viene utilizzato come base di appoggio per lo strato successivo.
Materiali: Plastica simile alla gomma, termoplastica, plastica ignifuga, resine trasparenti.
Vantaggi: Alta risoluzione e qualità della superfcie dell’oggetto, stampa di geometrie complesse.
Svantaggi: Necessità di strutture di supporto e di post-produzione, fragilità del materiale nel lungo periodo.
Applicazioni: Modelli dentali, modelli per gioielli, prototipi, stampi per produzione.
DIGITAL LIGHT PROCESSING
Descrizione: Tecnologia simile alla stereolitografia ma la fonte di luce è un proiettore DLP che contiene una serie di microscopici specchi, chiamati DMD, i quali ruotando proiettano la luce su una lente ed un controllo sull’orientamento degli specchi permette la proiezione di un’immagine molto nitida.
Materiali: Plastica, fotopolimeri vari, polimeri a base di cera.
Vantaggi: Velocità di stampa, disponibilità di materiali colorati, alta risoluzione (in particolare per stampanti in cui la superficie proiettabile è minore), scarti ridotti.
Svantaggi: Necessità di strutture di supporto e di post-produzione.
34 POLYJET o MATERIAL GETTING
Descrizione: Il funzionamento è molto simile a quello delle stampanti 2D: la “testina” deposita piccole quantità di materiale, che viene deformato dalla luce ultravioletta per formare lo strato.
Materiali: Fotopolimeri.
Vantaggi: Utilizzo di più materiali, superfci lisce, post produzione limitata alla rimozione del supporto.
Svantaggi: Necessità di strutture di supporto. Applicazioni: Prototipi, stampi per produzione. TWO-PHOTON POLYMERIZATION
Descrizione: la fonte di energia utilizzata per solidificare selettivamente gli strati dell’oggetto è un laser a luce pulsata con frequenza dell’ordine dei femtosecondi.
Materiali: Resine fotosensibili, materiali biologici.
Vantaggi: Alta definizione e precisione di dettagli, capacità di stampa di oggetti di dimensioni molto piccole (ordine di grandezza dei batteri); alta velocità di stampa.
Savntaggi: Necessità di strutture di supporto e di post-produzione.
Applicazioni: Circuiti microelettronici, strutture biomediche per la rigenerazione dei tessuti, strumentazione medica per la somministrazione di medicinali (ad esempio micro-aghi).
Il processo che caratterizza le metodologie granulari invece prevede che un materiale di tipo granulare venga steso su un letto di supporto e poi fuso in maniera selettiva al fine di formare un oggetto solido, anche queste hanno caratteristiche simili alle precedenti ma in generale tendono ad avere dei costi inferiori, le applicazioni più significative riguardano il settore aerospaziale, medico e automotive.
35 Le tecnologie granulari si suddividono nelle seguenti tecniche di stampa:
BLINDER JETTING
Descrizione: La piattaforma di appoggio viene ricoperta della polvere di materiale. Un collante è selettivamente depositato secondo il modello CAD formando uno strato; successivamente la piattaforma viene abbassata e ricoperta da un nuovo strato di polvere, si procede fino ad ultimare l’oggetto che viene poi messo ad essiccare in un forno; spesso gli oggetti devono subire delle “infiltrazioni” per riempire microscopiche sacche d’aria e sigillare la superficie.
Materiali: Sabbia, polveri, metalli, ceramiche, ingredienti alimentari, vetro.
Vantaggi: Nessuna struttura di supporto, velocità di produzione elevata, possibilità di stampare in più colori e costi di produzione inferiori rispetto ad altre tecnologie.
Savntaggi: Minor resistenza degli oggetti stampanti rispetto alle tecniche SLS o SLM di cui parleremo di seguito, necessità di post-produzione per assicurarsi la tenuta.
Applicazioni: Prototipi, prodotti artistici, stampi per la produzione di oggetti in metallo.
SELECTIVE LASER SINTERING
Descrizione: Il laser viene diretto sulla superficie ricoperta di polvere di materiale, sinterizzando selettivamente le particelle, ovvero il materiale viene parzialmente fuso; nel processo di solidificazione le molecole si aggregano contribuendo alla formazione dello strato dell’oggetto, quando lo strato è concluso, la piattaforma di appoggio viene abbassata e un rullo distribuisce dell’altra polvere per formare il nuovo strato sopra al precedente, la camera di stampa è sigillata per mantenere la temperatura appena al di sotto del punto di fusione della polvere di materiale (figura 10).
36 Materiali: Nylon, titanio, alluminio, metalli vari e leghe, polistirene, vetro, ceramica, sabbia, cera.
Vantaggi: Stampa oggetti con geometrie e strutture complesse, strutture di supporto non necessarie, elevata resistenza dei materiali, possibilità di controllo della porosità del materiale.
Svantaggi: Considerevole durata del raffreddamento successivo alla stampa, necessità di infiltrazioni con ulteriori materiali per migliorare la porosità, bassa risoluzione, superfici ruvide.
Applicazioni: Prodotti in plastica. Per DMLS: parti per velivoli, parti finite per applicazioni ingegneristiche, oggetti metallici resistenti e leggeri. SELECTIVE LASER MELTING
Descrizione: Molto simile al SLS ma in questo caso il materiale viene completamente fuso per formare una parte omogenea, per questo motivo i materiali metallici disponibili non sono leghe, ma metalli puri in quanto il punto di fusione deve essere unico (figura 10).
Materiali: Solo metalli in polvere.
Vantaggi: Geometrie e strutture complesse.
Svantaggi: Considerevole durata del raffreddamento successivo alla stampa.
Applicazioni: Impianti ortopedici, componenti utilizzate nel settore aerospaziale.
ELECTRON BEAM MELTING
Descrizione: Simile al SLM ma la fonte di energia è un fascio di elettroni e quindi il processo deve svolgersi sottovuoto. Il fascio di elettroni viene passato diverse volte per ogni strato: il primo passaggio riscalda il materiale fino alla temperatura ottimale; il secondo fonde la polvere per creare il bordo dell’oggetto; i passaggi successivi fondono il materiale per formare le parti interne.
37 Vantaggi: Stampa parti dense senza pericolo di deformazioni.
Svantaggi: Considerevole durata del raffreddamento successivo alla stampa.
Applicazioni: Medicale (impianti), aerospaziale, automotive, settori industriali specializzati.
DIRECTED ENERGY DEPOSITION
Descrizione: Queste tecnologie utilizzano un braccio meccanico mobile da cui viene emesso un laser, o un fascio di elettroni, o un gas ionizzato. Attraverso questa fonte di energia e seguendo il modello CAD, vengono riscaldate le zone dello strato su cui sono poi depositate le polveri di materiale; le polveri sono spruzzate da un ugello alimentato in ciclo continuo, modalità che permette di cambiare materiale molto facilmente e, quindi, produrre oggetti con strutture interne complesse e proprietà fisiche che non potrebbero essere sviluppate con le tecniche tradizionali, inoltre con questa tecnologia è possibile sia produrre nuovi oggetti che riparare oggetti esistenti.
Materiali: Acciaio inossidabile, rame, nickel, cobalto, alluminio, titanio. Vantaggi: Produzione di oggetti con diversi materiali e geometrie complesse.
Svantaggi: Superfici ruvide, necessità di post-produzione. Applicazioni: Riparazione di attrezzatura meccanica.
Infine le tecniche di laminazione (Laminated Object Manufacturing) consistono nella sovrapposizione di fogli di materiale che successivamente vengono intagliati, si caratterizzano per l’utilizzo di materiali a basso costo, possibilità di riciclo dello scarto e per l’ampia gamma di colorazioni a disposizione.
38 Le metodologie di stampa 3D permettono la realizzazione di sistemi e sub- sistemi in pezzi unici senza bisogno di assemblaggio e che possono contenere al loro interno parti elettriche, sensori e batterie, con la possibilità di essere realizzati in multi-materiale combinando le tecniche di manifattura tradizionale con le più moderne di additive manufacturing.
La manifattura additiva in base alle proprie caratteristiche si ritiene che possa essere idoneamente utilizzata nei seguenti casi30:
Contesti produttivi nei quali consente di ridurre i costi consentendo di realizzare prodotti con caratteristiche uguali o superiori rispetto alle tecnologie tradizionali (un esempio caratteristico riguarda la produzione di palette per le turbine e gli iniettori di carburante per motori nel settore aereonautico) o di ottenere standard qualitativi unici non ottenibili altrimenti con le tecniche tradizionali (un esempio caratteristico riguarda la produzione di protesi ortopediche nel settore sanitario e la produzione di componenti per auto e moto da competizione);
Contesti produttivi nei quali i vantaggi economici derivanti dall’utilizzo di tecniche additive si realizzano soltanto modificando la geometria dell’oggetto, tali modifiche al design consentono di sfruttare al massimo le potenzialità della manifattura additiva migliorando o comunque non compromettendo le caratteristiche di base dell’oggetto (un esempio è riscontabile ad oggi nella realizzazione di componenti per il settore dell’aeronautica);
Produzioni in cui la tecnologia additiva non è competitiva in termini assoluti ma può essere economicamente vantaggiosa nei casi in cui: 1) Quando l’oggetto realizzato con la tecnologia di stampa 3D risulta
più costoso ma grazie alla flessibilità, rapidità nei tempi di produzione, mancanza degli stampi, eliminazione costi di
30 Fonte Centro Studi Confindustria Autori vari, “La manifattura additiva, alcune valutazioni economiche
39 attrezzaggio, consente di “immagazzinare file” al posto dei prodotti, consentendo una riduzione del capitale immobilizzato e di tutti quei costi legati alla gestione del magazzino. (l’esempio caratteristico è quello della produzione di ricambi su richiesta specialmente nel settore aereonautico).
2) Quando la manifattura additiva può far fronte all’improvvisa ed imprevista mancanza di componenti per la produzione in linea, in taluni casi anche se il componente risulta più costoso ma grazie alla flessibilità e rapidità della nuova tecnologia si evita di incorrere nel sostenimento di costi ben più elevati dovuti al fermo della produzione.
3) Quando consente la re-ingegnerizzazione costruttiva di pezzi intrinsecamente più efficienti e di fatto più costosi ma che consentono di aumentare la produttività degli impianti industriali esistenti.
Settori industriali afferenti al comparto della prototipazione in generale (aerospaziale, automotive, biomedicale, packaging, gioielleria) e tutti gli altri settori in cui non sono determinanti le economie di scala ma hanno come fattori critici di successo l’agilità e la rapidità di movimento;
Una delle prime considerazioni in termini di impatto economico che emerge dalle precedenti analisi è quella che riguarda la gestione del magazzino e delle attività di logistica, ciò è dovuto al fatto di utilizzare spazi virtuali (file) al posto di quelli fisici, permettendo di realizzare al bisogno pezzi unici in piccole quantità senza dover ricorrere alle complesse lavorazioni tradizionali e senza bisogno di stampi e calchi, confermando ancora una volta che il modello del Just in Time è tutt’ora lo standard di riferimento; con la stampa 3D inoltre si afferma un nuovo concetto di lean production, e cioè una produzione che ha come caratteristiche principali
40 la razionalizzazione delle scorte e una più spiccata ottimizzazione delle attività logistiche31.
Il valore aggiunto della manifattura additiva sta proprio nel fatto di consentire la produzione di componenti di elevato valore nel momento in cui il cliente lo desidera e in tempi rapidi, anche se in alcuni casi il costo di produzione unitario può risultare maggiore con le tecniche additive rispetto alle tradizionali, tale maggior costo dovrebbe essere compensato in primis dai risparmi in termini finanziari derivanti dalla riduzione del capitale immobilizzato fisso, in secondo luogo dalla riduzione degli spazi fisici del magazzino e di conseguenza anche di numerose voci di costo collegate alla logistica.
Per quanto riguarda la logistica infatti si può notare che nella manifattura tradizionale normalmente si hanno due momenti caratteristici, il primo quello che riguarda il trasporto delle materie prime al luogo di produzione, il secondo riguarda invece il trasporto degli scarti dal luogo di produzione a quello di smaltimento degli stessi a meno che non vengano riutilizzati e perciò trasportati al luogo del riutilizzo, con la manifattura additiva invece essendo lo scarto di entità poco rilevante elimina quasi totalmente il costo derivante dalle operazioni logistiche, della gestione ambientale derivante appunto dal recupero degli sfridi. La stampa in tre dimensioni ha permesso inoltre la creazione di oggetti notevolmente superiori sotto il profilo tecnico-funzionale annullando quasi completamente i vincoli tecnici legati alle geometrie che erano presenti nelle lavorazioni tradizionali.
Come abbiamo già accennato è possibile in alcuni casi che la stampa in manifattura additiva possa risultare in un primo momento più costosa nella conformazione originale di un oggetto, ciò necessita di una re-ingegnerizzazione delle forma costruttiva al fine di sfruttare i vantaggi derivanti dall’utilizzo delle tecnologie additive.
31 Fonte: Centro Studi Confindustria Autori vari, “La manifattura additiva, alcune valutazioni
41 Un’altra implicazione piuttosto significativa riguarda la possibilità di utilizzo di nuovi materiali, ciò consente da un lato una forte riduzione in termini di quantità di materie prime impiegate creando allo stesso tempo un nuovo trade-off tra costi e benefici derivanti dall’utilizzo di materiali più pregiati e performanti oppure materiali meno pregiati e meno performanti ma che permettono di realizzare geometrie migliori ma più complesse.
Una stampante 3D può realizzare in ogni ciclo di produzione un numero di pezzi che può variare in relazione alle dimensioni degli oggetti e alla camera di lavoro di cui è dotata la stampante, l’andamento dei costi totali è crescente secondo una funzione sostanzialmente lineare, le non linearità sono molto ridotte e variano in base al tipo di stampante utilizzata32 e si ritrovano anche nel caso di utilizzo in
serie di più stampanti.
La manifattura additiva anche in base alle precedenti considerazioni non risulta un’alternativa sul piano dei costi nei confronti della produzione su larga scala ma risulta particolarmente adatta per tutte quelle produzioni in pezzo unico o in piccoli lotti consentendo inoltre la realizzazione di varianti a costo zero, ciò è dovuto al fatto di poter realizzare le modifiche direttamente sul disegno tramite l’applicativo CAD senza dover modificare gli stampi oppure i settaggi dei macchinari come avveniva precedentemente nella manifattura tradizionale.
Si mette di fatto in discussione il paradigma esistente fino ad oggi nel quale le produzioni di massa erano definite come “a buon mercato”, in quanto caratterizzate da bassi costi derivati principalmente dal fenomeno delle economie di scala, contro le produzioni personalizzate che risultavano maggiormente ad alto costo proprio per il fatto di essere su specifica richiesta del cliente.
32 Le esigue non linearità della funzione di costo riguarda il consumo di materiale, per esempio le
stampanti che utilizzano le materie plastiche necessitano di uno “spurgo” di materiale che viene quindi sprecato, a seguito del deposito di ciascuno strato indipendentemente dal numero di oggetti stampati.
42 Con la manifattura additiva sembra plausibile inoltre una generalizzazione delle risorse stock di capitale, in quanto i macchinari diventano sempre più una risorsa generica aumentando di fatto l’interscambiabilità dello stock di capitale immobilizzato tra settori industriali diversi e ampliando le possibilità di acquisizione ricorrendo anche a produttori terzi; tutto ciò potrebbe ridurre i costi derivanti dal lancio di nuovi prodotti rendendo più semplice ed economico passare dalla fase di progettazione a quella di commercializzazione, sarà possibile inoltre realizzare produzioni in piccole quantità per testare le reazioni del mercato prima di effettuare investimenti importanti abbattendo di fatto anche la rischiosità complessiva di un investimento.
I successivi sviluppi della manifattura additiva in teoria potrebbero disincentivare il fenomeno della delocalizzazione delle imprese nei paesi emergenti dove il costo del lavoro risulta di gran lunga inferiore, in quanto nel nuovo processo produttivo il costo del fattore lavoro incide in maniera meno significativa sui costi totali, inoltre i costi derivanti dall’acquisizione delle materie prime risulta pressoché identico ed inoltre il ridotto impatto ambientale portato dalle tecnologie di stampa 3D mettono in secondo piano l’opzione di continuare a produrre in paesi con normative ambientali meno stringenti33.