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INDICE
1. Introduzione alla “Fabbrica 4.0” _____________ 4
1.1 L’evoluzione della manifattura _____________________________ 4 1.2 La nascita e lo sviluppo di Internet __________________________ 6 1.3 Il passaggio verso la fabbrica moderna ______________________ 7 1.4 Il Digital Manufacturing __________________________________ 9 1.5 I Fabrication Laboratories ________________________________ 11 1.6 La transizione verso il digitale _____________________________ 20 1.7 L’artigianato digitale _____________________________________ 22
2. Le tecnologie abilitanti _____________________ 26
2.1 Manifattura additiva e stampa 3D __________________________ 30 2.2 Internet of things ________________________________________ 42 2.3 I Big data ed il Cloud computing ___________________________ 50
3. Il nuovo modello di business e l’impatto
sui costi di produzione _____________________ 53
3.1 Business model: concetto e innovazione derivanti dalla
manifattura digitale _____________________________________ 53 3.2 Il Business Model Canvas _________________________________ 56 3.3 Un nuovo modello di business per la Fabbrica 4.0 _____________ 66 3.3.1 Le principali innovazioni del modello di business _______ 66 3.3.2 Il caso Avio Aero _________________________________ 73
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PREFAZIONE
La problematica affrontata nel presente lavoro riguarda l’evoluzione del concetto di Fabbrica o manifattura andando ad approfondire il modo in cui quest’ultima è cambiata e sta cambiando in risposta al mutamento del contesto ambientale in cui si trovano ad operare le aziende nel XXI secolo, in riferimento al modo in cui le nuove tecnologie digitali hanno impattato sul modello di business ponendosi come antidoto alla grande recessione1 che sta caratterizzando il mercato
mondiale dal 2007 sino ai giorni nostri:
“Did ‘Great Recession’ Live Up to the Name?
Federal Reserve Chairman Ben Bernanke calls it “the worst financial crisis in modern history.” His predecessor, Alan Greenspan, says it was “the most
virulent global financial crisis ever.” Cit. David Wessel, The Wall Street Journal, 08/04/2010
Il Digital Manufacturing rappresenta l’evoluzione della manifattura ed è alla base della Quarta Rivoluzione Industriale o come definita da altri autori “Fabbrica 4.0”, entrambi sinonimi di uno stesso fenomeno che assumerà sfaccettature differenti in ogni parte del pianeta, in quanto si sviluppa in maniera diversa a seconda delle caratteristiche economiche e sociali proprie del paese.
Nel primo capitolo verrà introdotto il fenomeno denominato appunto “Fabbrica 4.0”, quello che viene espressamente chiamato Quarta Rivoluzione Industriale, anche se da alcuni autori viene riconosciuta come Terza Rivoluzione Industriale non considerando l’evoluzione avvenuta a partire dagli anni ’80 del secolo scorso
3 con lo sviluppo delle tecnologie informatiche (Computer) e della nascita del World Wide Web (rete Internet).
Nel secondo capitolo il lavoro si concentrerà essenzialmente sullo studio delle tecnologie cosiddette “abilitanti”, che stanno alla base della rivoluzione e che ci permetterà di approfondire e analizzare in dettaglio il modo in cui il loro ingresso nel sistema produttivo aziendale ha impattato in maniera significativa in tema di costi e sulla filosofia organizzativa e gestionale.
Nel capitolo terzo, sulla base delle analisi e considerazioni riportate nei capitoli precedenti con l’integrazione del costrutto teorico del “Business Model Canvas”, arriveremo al cuore del lavoro analizzando alla luce dei dati sopra esposti l’impatto sul modello di business e sui costi complessivi aziendali generato dal Digital Manufacturing.
Nell’ultimo capitolo faremo un riassunto dei fattori che hanno caratterizzato la presente analisi andando a spiegare le criticità reali e le perplessità emerse nello studio del fenomeno con particolare riferimento al tessuto manifatturiero industriale italiano.
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1. Introduzione alla “Fabbrica 4.0”
1.1 L’evoluzione della manifattura
La manifattura è un concetto che possiamo ritrovare sin dal tardo medioevo in riferimento alle botteghe artigiane dove si eseguivano lavorazioni completamente a mano, da qui il termine manufatti; tali realtà di fatto adottavano già i criteri della produzione in serie e della suddivisione dei compiti propri dei più moderni sistemi industriali.
Negli anni abbiamo assistito a vari mutamenti nel sistema produttivo e sociale dovuti alle scoperte tecnologiche e scientifiche che hanno caratterizzato il mondo del lavoro sin dai tempi antichi ma che hanno avuto impatti significativi dal ‘700 in poi con vere e proprie rivoluzioni.
La prima vera rivoluzione industriale è avvenuta a partire dal XVIII secolo soprattutto grazie alla scoperta della macchina a vapore a sostegno dello sviluppo dell’industria tessile; successivamente nei primi anni del XX secolo abbiamo assistito alla Seconda Rivoluzione Industriale con l’introduzione della catena di montaggio a supporto dei processi produttivi, la quale ha determinato una prima significativa riduzione dei costi e dei tempi di produzione supportata anche dal fenomeno della standardizzazione2/omogeneizzazione3 del prodotto e
dall’introduzione alla nuova filosofia di business legata al JIT 4 e al Time To
Market5, dando inizio così all’era della produzione di massa.
22 Si tratta di un fenomeno che trova la sua base nell’economia globalizzata legato alla produzione di
beni e servizi, identifica una produzione su larga scala che ha come requisito quello di realizzare prodotti identici in modo da poter soddisfare una quantità di domanda maggiore riducendo i costi unitari dando origine alle economie di scala e di apprendimento.
3 Nel nostro caso è da ritenersi come sinonimo della standardizzazione ma in realtà è ciò che sta alla
base del fenomeno cioè la produzione di beni con caratteristiche identiche.
4 Il JIT o Just in Time è una filosofia industrial che nasce e si sviluppa negli anni ’20 del secolo scorso e fà
5 Ne primi decenni del ‘900 si assiste inoltre al passaggio dalla bottega artigiana ai primi complessi produttivi organizzati, caratterizzati da una maggiore tendenza alla specializzazione e divisione del lavoro, meccanizzazione, ma allo stesso tempo anche da una perdita di creatività dovuta alla trasformazione degli artigiani in operai, perdendo di fatto in questo modo anche una parte dello spirito creativo dell’artigiano in favore di una personalizzazione di massa6; si assiste
così alla nascita della Fabbrica7 come sistema di produzione industriale.
A partire dagli anni ’80 del secolo scorso abbiamo assistito ad un’ulteriore evoluzione legata alle ulteriori scoperte tecnologiche che hanno dato impulso da un lato allo sviluppo dell’informatica e delle telecomunicazioni e contemporaneamente dall’altro lato hanno dato origine al fenomeno della globalizzazione8, facendo si che milioni di utenti potessero condividere milioni di
informazioni in tempo reale, dando la sensazione di essere sempre più vicini eliminando di fatto le distanze fisiche, si parla appunto della Terza Rivoluzione Industriale o era dell’informazione.
Le tecnologie che hanno impattato significativamente su questa evoluzione sono legate allo sviluppo del computer9 e di Internet10.
tempi di evasione degli ordini e un significativo incremento della qualità e riduzione dei costi di
magazzino.
5 Con il termine Time To Market si identifica il tempo che intercorre tra la nascita dell’idea di un
prodotto e la sua effettiva messa sul mercato, comprendendo tutte l varie fasi di progettazione, sviluppo, produzione e immissione sul mercato, con l’obiettivo di ridurre al minimo tale lasso temporale grazie all’introduzione di tecnologie sempre più innovative a supporto dei sistemi produttivi.
6 Si tratta di una strategia produttiva orientata al soddisfacimento dei bisogni della clientela
mantenendo allo stesso tempo l’efficienza produttiva propria dei sistemi di produzione di massa.
7 Insieme di edifici destinati alla produzione di beni a livello industriale, dove al loro interno si trovano
impianti e macchinari destinati alla produzione.
8 Il termine ci riporta al fenomeno dell’internazionalizzazione delle imprese e degli scambi commerciali,
si pensi alle prime multinazionali degli anni ’80, nel tempo ha allargato il proprio significato diventando a livello globale identificando un processo di uniformazione economica e sociale su scala mondiale dei rapporti tra imprese e tra imprese e popolazioni parlando appunto della creazione di un mercato globale.
9 La sua evoluzione ha contribuito allo sviluppo dell’informatica moderna segnando l’inizio della terza
rivoluzione industriale e della società dell’informazione, nel corso del tempo l’utilizzo di questo strumento si è modificato profondamente sia nei suoi meccanismi di funzionamento che nella rappresentazione dell’informazione passando da analogica a digitale.
10 Si tratta di un network ad accesso libero che ha permesso di collegare una moltitudine di dispositivi da
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1.2 La nascita e lo sviluppo di Internet
La rete internet venne scoperta ed utilizzata per la prima volta negli Stati Uniti intorno agli anni ’60 per scopi militari al fine di rafforzare i sistemi di difesa e controspionaggio che si resero necessari durante la seconda guerra mondiale, dal 1991 diventa una risorsa di dominio pubblico destinata ad utilizzo scientifico e commerciale, si trattava di una rete ad accesso libero che permetteva di connettere dispositivi di tutto il mondo, mettendo a disposizione una grande quantità di contenuti informativi, un network globale che collega reti informatiche a livello locale sparse per tutto il globo terrestre, ciò reso possibile dai protocolli di rete TCP e IP che permettevano di far dialogare i computer (host) appartenenti alle varie reti.
L’avvento di Internet e dei servizi forniti dalla rete hanno rappresentato una vera e propria rivoluzione tecnologica e socio-culturale diventando appunto uno dei motori principali dello sviluppo economico mondiale.
Nel 1991 a Ginevra presso il CERN11 venne ideato il protocollo HTTP12, il quale
permise per la prima volta la lettura non sequenziale (ipertestuale) di documenti saltando da un punto all’altro tramite l’utilizzo di rimandi (link o Hyperlink) dando origine al World Wide Web13, nel 1993 venne sviluppato il primo
browser14che rivoluzionò radicalmente il modo di fare ricerche e di comunicare
in rete.
La rete internet fino ad alcuni anni fa veniva sfruttata dalle aziende come mezzo innovativo di contatto con la clientela in particolare per la vendita di prodotti e servizi tramite l’e-commerce, oggi il network grazie all’enorme quantità di informazioni messe in rete dalle aziende e da soggetti che svolgono attività di ricerca, rappresenta il mezzo privilegiato di condivisione del sapere ponendosi al centro del sistema economico come fonte di diffusione della conoscenza diventando perciò un valore sempre più immateriale e digitale.
11 Organizzazione europea pe la ricerca nucleare 12 Acronimo di HyperText Transfer Protocol
13 Si tratta di uno dei principali servizi offerti dalla rete internet che permette di navigare tra diversi
contenuti sia informativi che multimediali, collegati fra loro attraverso link.
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1.3 Il passaggio verso la fabbrica moderna
L’impresa moderna a seguito dei mutamenti ambientali del sistema economico e sociale si trova di fronte a dei consumatori che richiedono sempre più prodotti personalizzati (di conseguenza sempre meno standardizzati) e brand sempre più differenziati, si parla appunto di consumatori intelligenti e attivi che sostituiscono gradualmente i consumatori di massa.
Nel mondo si comincia ad evidenziare un gap tra manifattura replicativa standard e manifattura innovativa, dalla crisi del modello fordista stiamo assistendo ad un allontanamento dalla fabbrica tradizionale in favore di un complesso di attività immateriali in cui la manifattura tradizionale viene richiamata in causa nei processi e nelle attività non codificate e non programmate in astratto, ma richiedenti l’interazione umana per la gestione dei macchinari; ciò accade nel momento in cui la fabbricazione non risulta essere più standardizzata ma necessita di soluzioni flessibili e customizzate lasciando spazio allo spirito creativo dell’artigiano della qualità.
Stiamo assistendo progressivamente alla smaterializzazione della fabbrica tradizionale possibile soprattutto grazie allo sviluppo delle reti digitali permettendo il trasferimento di risorse immateriali da una parte all’altra del globo terrestre in tempo reale senza alcun costo a differenza delle risorse materiali che ancora oggi devono supportare ingenti costi di trasporto e immagazzinaggio, il mondo industriale assume sempre più caratteristiche proprie del settore dei servizi.
La globalizzazione ha progressivamente determinato la frammentazione della produzione industriale su scala internazionale, il decentramento di alcuni step della filiera ed ha portato ad un evidente cambiamento delle aspettative e preferenze del consumatore che richiede sempre più un prodotto su misura, si parla appunto di customizzazione15 del prodotto.
8 Tali fattori hanno portato ad una profonda crisi dei fondamenti del vecchio modello fordista e della produzione di massa, divenendo ad oggi un sistema non più percorribile in un clima di continuo rinnovamento tecnologico.
“Ma per conseguire i vantaggi della globalizzazione, anche in termini di sfruttamento delle differenze di costo e di capacità tra i vari paesi del mondo, bisogna rendere trasferibili e replicabili molte delle conoscenze impiegate nella
manifattura e nei servizi connessi, da trasferire” cit. RULLANI,2014
Il mutamento a cui il mondo intero si sta predisponendo mette in evidenza la necessità di uno sviluppo degli attuali schemi competitivi per restituire rilievo ad un settore chiave per l’economia di moltissimi paesi come quello della manifattura, che negli ultimi anni ha subito ingenti perdite a causa della crisi mondiale; a tal proposito l’evoluzione dei sistemi produttivi sta favorendo la nascita di network organizzativi sempre più complessi e dai confini sempre più labili a supporto e intercambio di conoscenze in ambito produttivo e industriale. In Italia, dove il tessuto produttivo è storicamente legato al settore agricolo, vengono evidenziati importanti ritardi nel settore manifatturiero rispetto ad altri paesi sin dalla prima industrializzazione, ma allo stesso modo i registra in quegli anni la creazione di un tessuto di piccole e medie imprese dove al loro interno vengono salvaguardate e custodite le maestranze che difficilmente potrebbero essere codificate e trasferite per altri contesti produttivi specifici, essendo la manifattura e in particolar modo il “Made in Italy” il cuore pulsante di un paese produttore cha da sempre ha occupato posizioni di rilievo in campo internazionale e che si trova oggi difronte ad una sfida tutt’altro che semplice da affrontare, dove il sapere diventa sempre più una risorsa open source16 e per
alcuni aspetti caratterizzato da minor tutela e riconoscimento da parte degli utilizzatori, ma che dall’altro offre opportunità per molte realtà aziendali di nascere e svilupparsi in un contesto visionario che si pone come obiettivo
9 principale quello di uscire da un periodo di crisi e stagnazione che ha per molto tempo frenato la crescita e lo sviluppo.
Il digitale sta modificando radicalmente gli schemi e le logiche di produzione industriale del passato, facendo diventare la fabbricazione più personalizzata e distribuita all’interno di strutture di nuova generazione, come ad esempio i Fabrication Laboratories (di seguito FabLab) dove al loro interno possiamo trovare numerose tecnologie e strumenti avanzati a supporto dei processi produttivi, dei quali parleremo in seguito.
1.4 Il Digital Manufacturing
Il progresso tecnologico ha portato a quel fenomeno che oggi chiamiamo “Digital Manufacturing” o fabbricazione digitale, tale innovazione ha come antecedente una tecnica di progettazione industriale c.d. prototipazione rapida.
La prototipazione rapida si realizza in un processo di progettazione che permette di trasformare un file di tipo vettoriale17 presente su un supporto informatico ad
un oggetto solido e in tre dimensioni; tale realizzazione può essere fatta mediante tecniche sottrattive18 o additive19, l’innovazione risiede nell’utilizzo di tecniche
additive dove si è in grado di generare forme complesse senza utilizzare stampi e/o attrezzature consentendo di ridurre gli scarti di produzione derivanti dalla lavorazione dei materiali ed oltretutto ha consentito di utilizzare materiali di varia natura.
17 Un file di tipo vettoriale contiene un’immagine descritta con grafica vettoriale, dove un insieme
geometriche definiscono una serie di punti, linee, curve ai quali possono essere attribuiti colori e sfumature di vario genere.
18La produzione sottrattiva consiste nello scavo e nel taglio di materiali (es. molatura, fresatura,
tornitura) e rappresenta la produzione tradizionale.
19 La produzione additiva o Additive Manufacturing consiste nella realizzazione di oggetti che assumono
10 La prototipazione rapida ha suscitato negli anni un interesse sempre più crescente da parte delle imprese dovuto in particolar modo allo sviluppo delle tecniche di stampa 3D che hanno permesso di realizzare oggetti di forma sempre più complessa senza bisogno di ricorrere ad ulteriori lavorazioni di tipo tradizionale per consentirne la finitura, tutto ciò è reso possibile semplicemente grazie all’utilizzo di un pc collegato ad una stampante che utilizza la tecnologia di stampa su tre dimensioni, questo procedimento non richiede una particolare formazione e permetterà anche agli utenti meno esperti di realizzare strumenti e/o componenti scaricando semplicemente il file vettoriale contenente il progetto ed inviandolo alla stampante.
In tal modo il prodotto può essere auto-progettato e prodotto in loco permettendo un risparmio notevole sui costi di trasporto ed un’eliminazione quasi totale degli sprechi, impiegando solamente la quantità di materiale strettamente indispensabile; tale prospettiva ha creato un filone di analisi che si pone come obiettivo un ripensamento sulla localizzazione dei processi produttivi e sulla riorganizzazione di intere realtà aziendali dove in precedenza si era optato, nella logica dell’outsourcing, per una delocalizzazione della produzione finalizzata al risparmio dei costi diretti produttivi (es. MOD) ma che in alcuni casi non aveva un adeguato riscontro a livello qualitativo in termini di prodotto, oggi si rendono necessari nuovi criteri di localizzazione delle imprese che tengano conto della vicinanza al cliente e del collegamento con le aziende produttrici tecnologicamente adeguate per produrre i nuovi progetti.
Si suppone che con la nuova rivoluzione digitale ogni oggetto verrà codificato in modo da facilitarne l’individuazione, riproduzione, modifica e condivisione in rete , in questo complesso nuovo scenario si avrà un capovolgimento dei ruoli in quanto il consumatore potrà divenire egli stesso ideatore del bene che desidera a differenza dell’azienda che in taluni casi diventerà un mero fornitore di servizi.
11 Le nuove tecnologie provenienti dal mondo digitale ed in particolare la stampante 3D sono il motore della Quarta Rivoluzione Industriale in quanto stanno sconvolgendo il modo tradizionale di produrre favorendo una individualizzazione e customizzazione del prodotto a differenza della produzione di massa, teorizzata nel modello fordista, caratterizzata dalla ripetizione orientata alla standardizzazione; nel nuovo modello si parla infatti di diversificazione produttiva e di produzioni in piccoli lotti.
La rivoluzione messa in atto dalla Fabbrica 4.0 sembra poggiare le proprie fondamenta su nuovi modelli organizzativi basati su processi di crowdsorcing20e
su network distributivi come ad esempio i Fab Lab; l’idea nasce inizialmente da un insieme di persone, chiamati makers, ognuna di diversa formazione che condividono l’interesse verso l’apprendimento di capacità tecniche e la loro applicazione creativa al fine di fabbricare oggetti o inventare soluzioni innovative.
Si tratta di un fenomeno culturale diffusosi nell’ultimo decennio per una naturale evoluzione del fai-da-te verso una dimensione sociale facilitata dalla rete Internet, in cui la sperimentazione la risoluzione di problemi non sono più un fatto personale ma si inseriscono in una o più comunità conoscendo la dimensione della collaborazione.
A questo va aggiunta la spontanea e simultanea diffusione di progetti e tecnologie come Arduino21, la stampa 3D, i FabLab, l’open hardware che sono
fioriti proprio nell’ultimo decennio quale frutto di comunità e ricerche indipendenti ma sorprendentemente complementari
20 Rappresenta il nuovo business model “web-based” che sfrutta le soluzioni creative di un insieme di
soggetti esterni all’entità che ha ideato il progetto che collaborano in modo del tutto volontario.
21 Si tratta di un progetto nato in Italia che ha condotto alla progettazione di una piccola scheda
elettronica dotata di un microprocessore con circuiti stampati che permette lo sviluppo di prototipi a scopo hobbistico e didattico, tutto il software correlato è completamente gratuito e permette di realizzare vari tipi di sensori e attuatori elettronici.
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1.5 I Fabrication Laboratories
Fino ad oggi erano presenti sul nostro territorio alcune attività che si occupavano di ricerca avanzata e progettazione per conto terzi che avevano come core business l’erogazione di servizi di prototipazione rapida in favore di aziende manifatturiere locali, si tratta dei Centri Servizi specializzati nei settori di attività tipici del distretto industriale in cui erano collocati.
Il primo laboratorio Fab Lab ha origine nel 2001 presso il Center for Bits and Atoms22del Massachusetts Institute of Tecnology (MIT) su ideazione del
Professor Neil Gershenfeld, il quale ebbe l’idea di costruire un laboratorio dotato di particolari macchinari frutto delle più moderne tecnologie digitali al servizio della prototipazione rapida.
22 Centro del MIT per Bits and Atoms è un'iniziativa interdisciplinare che si pone come obiettivo quello di
esplorare il confine tra informatica e scienze fisiche, studia come trasformare i dati in cose e le cose in dati. gestisce servizi e programmi di ricerca, supervisiona gli studenti, è un organizzazione che si finanzia con una serie di sponsor, crea start-up, e fa di sensibilizzazione del pubblico.
13 In Italia la diffusione dei laboratori è iniziata nel 2009 con l’invenzione di Arduino nel 2009 a Ivrea, provocando una forte espansione del fenomeno da Nord a Sud della penisola.
La rete dei Fab Lab ad oggi conta centinaia di realtà sparse per tutto il pianeta con la tendenza di incremento medio di una unità al giorno, si tratta di una comunità intera costituita da studenti, ricercatori, insegnanti, tecnici ed innovatori di qualsiasi settore che hanno come unico obiettivo quello della condivisione delle conoscenze, strumenti e processi, formando un laboratorio unico per la ricerca e l’innovazione.
Di seguito si riporta la rappresentazione grafica della distribuzione dei Fab Lab per area geografica a livello mondiale, estratta direttamente dal sito web della fondazione MAKE IN ITALY23 (Figura 1).
Figura 1- Distribuzione dei Fab Lab a livello mondiale
Fonte sito web fondazione MAKE IN ITALY
23 MAKE IN ITALY CDB FOUNDATION nasce dall’unione di FabLab italia e Makers Fondazione Fare in
Italia, CDB è stato creato all'inizio del 2014, con la missione di sostenere i Fab Lab italiani , aiutandoli a crescere e aiutare coloro che vogliono aprire nuovi.
La fondazione vuole creare opportunità e dare valore ad un nuovo "Make in Italia " inteso come patrimonio emergente di innovazione partendo dal basso, mettendo persone capaci in contatto con gli investitori e facilitare le relazioni tra coloro che hanno un'idea e coloro che hanno la competenze per realizzarle.
14 La rappresentazione ci mostra le aree a livello mondiale dove si sono sviluppati i Fab Lab e si evidenzia una massiccia presenza dei laboratori soprattutto nel vecchio continente e negli Stati Uniti ma in ogni caso si può notare che il fenomeno si affaccia su ogni continente ed è significativo il grado di sviluppo che risulta in crescita esponenziale proprio per effetto del movimento dei Makers che si sta propagando in tutto il mondo, nel 2013 esistevano circa 153 Fab Lab, in Italia ne contavano solo 5 di cui 3 in apertura, in realtà esistevano 43 laboratori chiamati “Officine del Futuro” in quanto non rientranti ancora nella categoria dei Fab Lab ma erano in molti casi associazioni di promozione e centri di formazione che seguivano tale filosofia, di seguito la rappresentazione dei Fab Lab in Italia suddivisi per regione risultante dal “Censimento Laboratori fabbricazione digitale” condotto da Menichelli e Ranellucci nel 2014 per la fondazione Make in Italy (figura 2).
Figura 2- Numero dei Fab Lab in Italia
15 Il crescente aumento capillare del numero di Fabrication Laboratories in Italia è dovuto sia all’esplosione del fenomeno dei Maker, sia alle politiche pubbliche di sviluppo messe in atto da numerose regioni italiane a favore delle nuove tecnologie e delle start-up, le potenzialità di tali organismi sono ancora in evoluzione e derivano dal rafforzamento della loro relazione con le imprese del settore manifatturiero.
La ricerca condotta dai due autori ha evidenziato in una analisi qualitativa l’esistenza di due modelli strategici messi in atto dai Fab Lab presenti sul mercato:
Diventare interlocutori stabile per le imprese;
Privilegiare il compito di alfabetizzazione in tema di manifattura digitale presso le imprese e i cittadini;
Circa l’80% delle realtà in esame è nata per iniziativa di singoli individui tra cui: Ingegneri, Architetti, Industrial designer e informatici, creando associazioni nel 44% dei casi e nel 27% dei casi avviando imprese private.
I Fab Lab dispongono di strumentazioni e macchinari necessari alla fabbricazione di oggetti in particolare macchine laser da taglio e fresatrici a controllo numerico affiancate a periferiche di stampa con tecnologia di stampa in tre dimensioni; questa tecnologia è stata fino ad oggi poco utilizzata, ciò dovuto ai costi di acquisto particolarmente elevati, ai quali solo poche aziende di grandi dimensioni potevano accedere.
Tali strumentazioni possono essere oggi acquistate in rete a prezzi più che accessibili, nonostante la tendenza dei laboratori sia quella di produrre direttamente il macchinario all’interno per mezzo di componenti riutilizzati oppure progettati appositamente per il tipo di strumento necessario; la progettazione viene eseguita con normali computer che utilizzano software scaricabili gratuitamente dalla rete internet senza sostenere alcun costo di acquisto licenze e aggiornamenti vari.
16 Il laboratorio rappresenta un’entità che oltre ad essere il fulcro della prototipazione tecnica assume anche le funzioni di apprendimento ed innovazione, pone le sue basi critiche di successo su quattro fattori chiave:
Apertura;
Collaborazione interdisciplinare; Efficacia;
Trasferibilità;
In merito all’apertura i Fab Lab promuovono lo sviluppo dell’open suorce e della peer production, consistenti rispettivamente nel libero accesso alle conoscenze e alle nuove tecniche produttive, l’open learning in communities cioè l’apprendimento sull’utilizzo di mezzi e metodi di produzione aperti attraverso lo scambio e condivisione in una comunità virtuale in continua evoluzione; inoltre a conferma del principio dell’open source, nessun laboratorio può brevettare la tecnologia progettata e neppure privare nessun utente dell’accesso al software e ai suoi aggiornamenti.
Per quanto attiene alla collaborazione interdisciplinare viene enfatizzata la presenza di membri all’interno della comunità con una vasta diversificazione delle conoscenze, permettendo la creazione e la possibilità di condivisione proveniente appunto da un network collaborativo interdisciplinare.
L’efficacia è una caratteristica propria del Fab Lab in quanto si conferma lo stimolo per l’innovazione in tutto il mondo e ciò si basa sulla capacità di costruire relazioni con esperti altamente qualificati in tecnologia, design, management, ricerca, coinvolgendo anche partner provenienti dal mondo dell’istruzione (scuole ed università), dal mondo imprenditoriale e da quello dell’arte e della cultura.
17 Infine si caratterizzano per la trasferibilità data dal fatto che il loro successo a livello mondiale e la rapida diffusione sostenibile e adattata alle realtà locali deriva dalla creazione di nuovi laboratori sull’esperienza dei vecchi, pur mantenendo ogni unità la propria identità.
Ogni laboratorio deve attenersi scrupolosamente al Fab Charter contenente i principi fondamentali ai quali uniformarsi qualora intenda entrare a far parte della rete mondiale dei Fabrication Laboratories offrendo oltretutto il vantaggio di entrare a far parte di un network strutturato e composto da una serie di organi di supporto che svolgono tutta una serie di iniziative a sostegno dei laboratori tra le quali: la Fab Foundation che si propone di offrire supporto e sostegno tramite la creazione di organismi a livello locale che affianchino direttamente le realtà presenti sul proprio territorio, la Fab Academy che offre un programma di formazione avanzata sul tema della digital manufacturing e la Fab Confernce che rappresenta il meeting annuale svolto con la partecipazione di tutti i membri della rete.
Queste realtà sono da considerarsi uno dei principali driver di sviluppo per la tecnologia e l’innovazione a livello locale, ciò possibile attraverso la propria piattaforma infrastrutturale che si pone come facilitatore per la condivisione della conoscenza e delle nuove tecnologie che risulta essere il fondamento della nuova rivoluzione denominata fabbrica 4.0.
Il nuovo comune denominatore è composto dunque dal binomio apertura-innovazione che sta alla base del nuovo processo produttivo, il quale prevede una frammentazione delle attività presenti all’interno della catena del valore (Porter, 1980) dando luogo alla creazione di imprese sempre più specializzate in micro-fasi del processo che saranno in grado di mettere in collegamento soggetti con idee innovative con altri in grado di implementarle, svilupparle e venderle.
18 I servizi offerti dai Fab Lab possono essere suddivisi in tre categorie:
La prima concerne servizi strettamente correlati alle attività di progettazione, prototipazione e produzione (in bassa scala) di prodotti mediante le stampanti 3D e l’universo dei software di modellazione a corollario, la maggior parte dei laboratori eroga servizi di stampa prodotti diretti prevalentemente al segmento dei consumer e funge da supporto per l’utenza in fase di realizzazione di prodotti e progettazione di nuovi concept;
La seconda è riconducibile ad attività consulenziali in merito alla scelta della stampante 3D più idonea alle esigenze dell’azienda, si occupano inoltre di consulenza per quanto riguarda il supporto alla ridefinizione dei processi produttivi e sui materiali da utilizzare;
La terza riguarda la fornitura di materiali stampabili con la tecnologia 3D; I laboratori non rappresentano un’alternativa alla produzione di massa ma esprimono tutte le loro potenzialità nelle piccole produzioni su misura in quanto non seguono la logica della grande scala che altrimenti finirebbe per renderli una realtà poco economica e portatrice di diseconomie.
1.6 La transizione verso il digitale
La nuova sfida giocata sul terreno della competitività industriale si gioca sui nuovi modelli produttivi frutto della digitalizzazione con l’obiettivo di ridurre i tempi di processo, ottimizzare i costi e il risparmio energetico, in altre parole l’obiettivo della fabbrica moderna è quello di produrre in modo intelligente, oppure con una accezione recente smart, riuscendo a minimizzare o addirittura eliminare le inefficienze operative e saper sfruttare i vantaggi delle nuove tecnologie prima degli altri in modo da costruire un vantaggio rispetto ai propri competitors.
19 Le applicazioni dell’ICT sono diventate essenziali per quasi tutti i settori ed ogni cosa che ruota intorno alle aziende è chiamato ad essere smart e cioè si configura un nuovo modello produttivo intelligente abbastanza flessibile in grado di prevedere la domanda del consumatore portando una vera e propria innovazione all’interno dello stile di vita della comunità globale.
Questo nuovo modello ha la pretesa di cambiare radicalmente i processi di sviluppo dei nuovi prodotti, della loro produzione, distribuzione e vendita, favorendo la nascita e lo sviluppo di ambienti lavorativi attenti alla sicurezza, permettendo un maggior controllo sull’ambiente eliminando quasi totalmente gli oneri burocratici e i costi legati alla gestione.
L’utilizzo dei nuovi software gestionali abbinati alle moderne tecnologie digitali hanno permesso di raccogliere ed elaborare i dati relativi all’utilizzo dei macchinari creando enormi vantaggi per le grandi fabbriche permettendo di visualizzare anche da remoto in tempo reale il report sulla funzionalità di ogni macchinario evitando i costi legati a fermo macchina e garantendo una maggior efficienza e programmabilità del processo produttivo, dando anche la possibilità ai dipendenti in ogni momento di controllare il corretto funzionamento del proprio macchinario dei quali sono responsabili.
La nuova filosofia dello smart manufacturing si sta espandendo velocemnte dalle grandi imprese industriali interessando in maniera sempre più significativa tutto il comparto manifatturiero in particolare il settore legato alla produzione di macchinari, il segmento automotive ed il settore dell’aeronautica.
In Italia il fenomeno risulta di grande interesse in quanto il settore della manifattura rappresenta circa il 20% del PIL ed è la seconda manifattura a livello europeo, si tratta quindi di un settore che incide in modo significativo sulle sorti economiche del nostro paese rappresentando di fatto una delle eccellenze.
20 L’Osservatorio Manufacturing24 del Politecnico di Milano definisce proprio lo
smart manufacturing l’elemento caratterizzante della quarta rivoluzione industriale rappresentando di fatto una naturale fase evolutiva della manifattura industriale, una fase in cui le nuove tecnologie digitali oltre ad aver ridisegnato il processo produttivo aumentandone l’efficienza e l’efficacia hanno permesso la creazione e l’affermazione di nuove figure professionali e di aumentare il grado di competitività tra le imprese.
La ricerca condotta dal politecnico evidenzia come lo smart manufacturing sia il frutto della combinazione tra tecnologie tradizionali e tecnologie intelligenti, infatti nel corso della terza rivoluzione industriale sono state ideate e sviluppate tutta una serie di soluzioni definite oggi tradizionali (es. CAD, Cmms) alla base del sistema informativo legato allo sviluppo dei prodotti, permettendo di gestire al meglio il processo di pianificazione della fase produttiva, la gestione delle materie prime e abilitando livelli crescenti di automazione dei processi manifatturieri.
Si tratta di una base fondamentale sulla quale si inseriscono le nuove smart tecnologies, che analizzeremo in dettaglio nel capitolo successivo, che sono indispensabili per permettere al settore manifatturiero di passare al digitale. Il nuovo modello di sviluppo che guiderà il nostro futuro come già noto si basa sulle tecnologie informatiche e sulla possibilità di ridurre gli spostamenti fisici in favore dello spostamento dei dati e delle informazioni, ad esempio l’introduzione delle stampanti 3D nei processi produttivi sta impattando in maniera significativa sulle linee di produzione perchè permetteranno di digitalizzare anche le fasi più operative della manifattura con enormi ripercussioni sul modello di business.
24 L’Osservatorio Smart Manufacturing è il punto di riferimento in Italia per manager e decisori che
debbano comprendere in profondità le innovazioni digitali (di processo, infrastrutturali, applicative, HW e SW) che stanno trasformando il comparto manifatturiero, codificando e rendendo fruibile la
conoscenza sul tema e creando una comunità italiana attiva e aperta al confronto con le pratiche internazionali.(tratto del portale http://www.osservatori.net/smart-manufacturing)
21 La filiera produttiva sta subendo un radicale cambiamento a seguito della digitalizzazione in molti comparti legati al settore dei servizi e dell’industria in particolare nelle fasi di:
Sviluppo nuovi prodotti; Approvvigionamento; Marketing;
Distribuzione;
Servizio post-vendita;
La catena del valore pertanto diviene un concetto sempre meno fisico e più virtuale facendo si che il nuovo processo determini un risparmio economico legato all’inquinamento e alla tutela ambientale in favore di uno sviluppo sempre più sostenibile e orientato alla green economy come dimostrato anche nel white paper di Accenture intitolato “ Are you ready for the digital value chain”.
1.7 L’Artigianato digitale
“Not everyone can start from scratch. Giving designers templates for product categories, such as figurines, is much better for their purposes than having then create the model on a blank canvas” cit. Gonzalo Martines, 2014 25
Gonzalo Martines spiega come si differenzia la manifattura tradizionale da quella digitale, spiegando che nella manifattura digitale il tutto prende vita da una tela bianca su cui l’artigiano deve rappresentare le sue idee o su cui il progettista deve disegnare i suoi progetti, l’opportunità digitale (prosegue Martines) può nascere da elementi già esistenti, anche una semplice foto può essere elemento base per ideazione e progettazione.
25 Estratto dall’intervista a Gonzalo Martines (Direttore ricerca strategica, Chief Tecnology office,
Autodesk), PwC Tecnology Forecast “The Future of 3-D printing: moving beyound protoryping to finished products”, 2014
22 Esistono varie tipologie di artigianato riconducibili essenzialmente a tre modelli rappresentativi ma che hanno in comune il valore fondante della creatività:
Il Laboratorio; L’Atelier; La Fabbrica;
Il laboratorio sin dal 1800 è rappresentato dalla bottega dove si potevano trovare uno o più artigiani con vari livelli dei specializzazione ed esperienza, in tali realtà si evidenzia il valore della gerarchia indispensabile anche per la trasmissione della conoscenza artigiana, tali sistemi formalizzati hanno permesso di creare regole comuni e la formazione di associazioni composte dagli stessi chiamate Gilde che si occuparono di offrire una protezione agli artigiani.
L’atelier invece è una realtà che vede l’artigiano come un artista (pittore, scultore, ecc.) rappresentava una realtà più difficile da gestire a causa dei rapporti particolarmente conflittuali. Dovuti in gran parte all’individualità e all’indole dell’artista, necessitava di una maggiore definizione dei ruoli e delle gerarchie e si contraddistingue per una minor trasmissione della conoscenza dovuta proprio all’individualismo, il rapporto con la clientela viene gestito direttamente dal fondatore.
Nella fabbrica a differenza dei modelli precedenti si evidenzia una logica che predilige la redditività rispetto alla trasmissione del sapere, si caratterizza anch’essa per la presenza di una forte gerarchizzazione e divisione dei ruoli finalizzata ad una gestione efficace ed efficiente della struttura, i volumi di produzione sono maggiori rispetto agli altri laboratori e la personalizzazione, come diremo anche in seguito, risulta limitata a causa del compromesso con l’economicità.
23 Il digital manufacturing come abbiamo appreso è conseguenza dell’avvento delle nuove tecnologie applicate al settore della manifattura ma se applichiamo tali innovazioni in un ambito in cui l’ideazione, la personalizzazione e il lavoro sul singolo prodotto risultano di particolare importanza allora stiamo parlando di artigianato digitale.
Le nuove tecnologie che in un primo momento sembravano il fattore scatenante la crisi dell’artigianato oggi si rivelano un fattore critico di successo ed in effetti con l’adozione progressiva delle tecnologie applicate alla manifattura si assiste ad un processo che tende a far convergere il classico modello di produzione artigiana verso il modello della manifattura su larga scala.
Il digitale rappresenta per l’artigianato un nuovo elemento di distintività permettendo di realizzare prodotti ancora più unici grazie all’utilizzo dei nuovi metodi e strumenti di progettazione che mettono in contatto diretto l’artigiano con il cliente, realizzando un prodotto su misura creato appositamente per il cliente, come sta accedendo anche per la manifattura a livello industriale.
Le differenze sostanziali riscontrate tra l’artigiano 1.0 e la manifattura tradizionale possono essere sintetizzate e messe a confronto con i seguenti attributi:
Creatività;
Personalizzazione; Specializzazione; Ecosistema/ambiente;
La creatività per l’artigiano tradizionale ne rappresenta il carattere innovativo e distintivo ed è di fondamentale importanza il valore dell’idea associata ad un determinato prodotto, nella manifattura tradizionale invece non ha molta rilevanza in quanto è predominante la ricerca e il raggiungimento dell’efficienza e delle economie di scala; le tecnologie digitali in questo ambito si pongono
24 come supporto per la progettazione ma la creatività ne rimane l’unico limite in quanto caratteristica principe dell’elemento umano.
Sul lato della personalizzazione possiamo dire che è un fenomeno che entra in contrapposizione con la produzione di massa e pertanto si avvicina come concetto a quello di artigianato mentre nella manifattura il consumatore deve adattarsi al prodotto offerto, in quanto le opzioni di scelta sono spesso molto limitate, in questo senso la tecnologia ha permesso una maggiore personalizzazione in ambito manifatturiero permettendo di soddisfare specifiche esigenze del cliente, convergendo verso il modello artigiano.
Per quanto riguarda la specializzazione è noto come un carattere proprio delle fabbriche dove spesso risulta molto elevata, ed è un concetto legato al processo produttivo, infatti le imprese manifatturiere mantengono le proprie eccellenze in termini di conoscenza e capacità attraverso il consolidamento del processo produttivo e distributivo, l’artigiano dal canto suo viene riconosciuto come “l’esperto della materia” in quanto ideatore e realizzatore effettivo del proprio prodotto, il digitale ha favorito la possibilità di gestire e informatizzare l’intero processo produttivo aumentandone la flessibilità ed il controllo.
Con il concetto di ecosistema/ambiente si vuole analizzare il sistema dei rapporti con l’esterno, l’artigiano è la figura che risulta maggiormente a contatto con il committente permettendogli di rispondere alle proprie esigenze in maniera più accurata a differenze delle imprese manifatturiere dove si hanno rapporti di tipo formalizzato molto spesso interfacciati da intermediari addetti ai rapporti con la clientela, la digitalizzazione ha permesso di incrementare le oppurtunità di collaborazione e di design condiviso favorendo la comunicazione diretta tra impresa e cliente eliminando di fatto gli intermediari.
25 La manifattura digitale intesa come artigiana o industriale consente di elaborare nuove alternative di prodotto tramite processi produttivi innovativi che sono il frutto di un ambiente esterno in continua trasformazione e che necessitano pertanto di un’estrema flessibilità e dinamicità da parte delle aziende, con il fine di eliminare tutte quelle barriere di tipo culturale, economico e logistico per entrate in diretto contatto con i consumatori.
La digitalizzazione in questo senso ha permesso di agevolare notevolmente questo fenomeno consentendo il perfezionamento dei prodotti attraverso la modifica incrementale dei prototipi sulle specifiche richieste del cliente.
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2. Le tecnologie abilitanti
Nel presente capitolo si tratterà in dettaglio buona parte delle tecnologie che si pongono alla base del Digital Manufacturing e quindi rappresentano il motore della Fabbrica 4.0, si precisa che l’analisi di impatto sui costi, dal presente capitolo in avanti, verrà svolta in modo qualitativo tramite l’esposizione delle caratteristiche e dei vantaggi offerti dalle moderne strumentazioni digitali e tramite una serie di considerazioni sorte dall’analisi della bibliografia.
Le tecnologie c.d. “abilitanti” rappresentano tutta una serie di strumenti caratterizzanti il fenomeno della quarta rivoluzione industriale e dai quali le imprese non possono prescindere se intenzionate a sfruttare integralmente i benefici derivanti da tale fenomeno, le tecnologie legate al digital manufacturing comprendono sia le stampanti 3D che tecnologie digitali come macchine a controllo numerico (di seguito CNC), il laser cutter e lo scanner 3D.
In particolare lo scanner 3D è l’elemento discriminante rispetto alle altre tecnologie digitali in quanto questo strumento si rende particolarmente necessario qualora si desideri riprodurre un oggetto da uno già esistente ed è proprio questa sua proprietà intrinseca che lo differenzia delle altre tecnologie in quanto il suo utilizzo impatta solamente sulla progettazione mentre le altre forniscono un’alternativa alla produzione in serie, sia che si tratti di manifattura additiva sia di quella sottrattiva.
La stampa 3D è senza dubbio la tecnologia che maggiormente ha contribuito alla creazione e allo sviluppo del Digital Manufacturing e dei nuovi processi di manifattura additiva e organizzazione del lavoro ma in realtà lo sviluppo di internet e delle tecnologie ICT a supporto dei processi hanno evidenziato il contributo di altre tecnologie altrettanto importanti anch’esse alla base della nuova evoluzione della fabbrica e possono essere riepilogate e nell’elenco sottostante:
27 Stampante 3D;
Tecnologie digitali; Internet Of Things (IoT); Big Data;
Cloud Computing; Robotica;
Ognuna di queste tecnologie ha offerto alle aziende il proprio contributo in maniera diversificata ma orientate tutte al supporto per la creazione del modello della fabbrica 4.0.
Per iniziare l’analisi si riportano di seguito alcune statistiche inerenti le stime di crescita e le criticità del fenomeno che abbiamo analizzato, le prime sono il risultato di una ricerca condotta dalla società Gartner, multinazionale leader mondiale nella consulenza strategica nel campo dell’IT, le successive sono della fondazione Make in Italy CDB, organizzazione di cui abbiamo già parlato nel primo capitolo e riguardano più nello specifico il caso emblematico dell’Italia. Nella ricerca condotta da Gartner e rielaborata nel 2015 dalla PwC inerente le stime di crescita dei guadagni derivanti dai prodotti stampati in 3D e spediti in tutto il mondo nel periodo 2012-2018 si rileva un forte incremento dell’indice CAGR (Compounded Average Growth Rate), si evidenzia che nel 2017 tali prodotti saranno circa un milione per un guadagno di 6,3 miliardi di dollari, analizzando la relazione tra prodotti stampati e spediti in tutto il mondo e i guadagni da essi derivanti nel periodo 2012-2018 si ottiene un indice CAGR pari al 87,7 %26.
L’ analisi pubblicata ad ottobre 2015 da Make in Italy ha come obiettivo di fondo quello di analizzare le opportunità che il digital manufacturing offre all’industria italiana facendo una suddivisione preliminare tra Made in Italy tecnologico, riguardante i settori produttivi di macchinari e componenti per i quali risulta premiante l’aspetto dell’innovazione tecnologica dal punto di vista del rapporto
28 con il mercato, ed il Made in Italy di consumo riguardante i settori produttivi dei beni di consumo del sistema moda e del sistema casa che hanno come fattori di successo lo stile, il design e l’ heritage italiana; si riporta di seguito un estratto dell’analisi aggregata.
Nell’analisi aggregata sulla diffusione delle tecnologie si evidenzia che il 16% delle imprese adotta contemporaneamente tecnologie 3D e robotica, il 30,5% dichiara di utilizzare una o l’altra tecnologia, il 34,9% utilizza tecnologie Laser o CNC, mentre il 18,6% dichiara di non utilizzare nessuna delle tecnologie proposte.
A livello di macro-settore si evidenziano delle differenze in quanto le imprese del Made in Italy tecnologico mostrano una propensione superiore rispetto a quella media ad adottare le tecnologie.
Le imprese che non utilizzano le tecnologie 3D motivano la scelta affermando che è una tecnologia che non supporta il proprio business (74,7%), il 13,5% non conosce la tecnologia e l’11,8% la conosce e sta valutandone l’acquisto.
Motivazioni analoghe a quelle della stampa 3D per quanto riguarda la robotica dove per il 76,8% delle imprese non la utilizza dichiarando che tale tecnologia non supporta il business, il 13,3% non la conosce e il 9,9% la conosce e ne sta valutando l’acquisto, analizzando le differenze tra le imprese del Made in Italy tecnologico e quelle del Made in Italy di consumo emerge una differenza dovuta al fatto che le imprese che non conoscono la robotica raggiungono il 17,6% tra le seconde, mentre si attesta al 9,8% nel primo gruppo.
Per la stampa 3D le aree di maggior beneficio (reali o attese) dalle imprese riguardano la progettazione, in particolare la riduzione dei tempi di progettazione e prototipazione (40,2% di molto e abbastanza d’accordo), l’acquisizione del modello 3D di oggetti esistenti (29,7%), la possibilità di produrre oggetti con forme e geometrie prima non possibili (28,9%) e la realizzazione di modelli 3D
29 specifici per il cliente, poco importante appare la possibilità di spostare la produzione verso i punti vendita (4,7%).
Nell’ambito delle imprese che utilizzano la stampa 3D, le funzioni maggiormente interessate sono quella relative all’ideazione e prototipazione dei nuovi prodotti (71,2%), seguita dalla produzione (10,4%) e la relazione con il mercato (1,6%). Tra le imprese che utilizzano stampa 3D e 3D scanning al primo posto tra i benefici figura la riduzione dei tempi di progettazione e prototipazione (77,5% di molto e abbastanza d’accordo), al secondo il maggior coinvolgimento del cliente nella progettazione (55,6%) segue la realizzazione di modelli 3D specifci per cliente (56,3%).
Tra i fattori invece che impediscono o rallentano la diffusione della stampa 3D figurano al primo posto la limitazione dei materiali lavorabili (43,3% di molto o abbastanza d’accordo), l’investimento richiesto per le attrezzature (42%) e per il software (38,1%).
Il 30% delle imprese che utilizza la stampa 3D sostiene che l’adozione di tali tecnologie ha prodotto un impatto significativo, tuttavia il 47,5% dichiara un impatto limitato, mentre nel 14,4% dei casi l’introduzione della stampa 3D non sembra aver prodotto impatti significativi.
Il processo di applicazione di tecnologie legate all’”Internet delle cose” appare ancora in fase di avvio in quanto solo il 12,9% le sta utilizzando o implementando, a fronte di un 63,2% che non intrapreso alcuna azione, ciò deriva dal fatto che solo il 5,5% ritiene che questa tecnologia rappresenti un elemento chiave per lo sviluppo del business, il 46,4% ritiene invece che questa tecnologia non possa supportare in maniera significativa il business e il restante 33,1% la considera solamente come uno strumento che potrebbe dare un valido a supporto delle attività.
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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
