10 MOTIVI PER PASSARE ALLA STAMPA 3D INDUSTRIALE (A CUI FORSE NON AVEVI PENSATO)

Perché la manifattura additiva crea vantaggi competitivi, oltre a generare efficienza di tempo/costo e libertà geometrica nella costruzione dei pezzi.

Ben oltre il supporto alle attività di ricerca e sviluppo o di sola prototipazione, la Stampa 3D si è diffusa in modo dirompente nella produzione in quanto leva strategica da usare nelle sfide sempre più difficili poste dal mercato.

Le aziende producono da tempo e in abbondanza sia pezzi da uso intermedio (attrezzature, maschere, dime, posaggi, fissaggi) sia da uso finale (componenti, ricambi), eppure molti addetti ai lavori non sono del tutto aggiornati sul reale impatto che può comportare l’adozione di queste tecnologie, trascurando a volte importanti opportunità; ecco perché noi di CMF MARELLI, tra i primissimi fornitori di Stampanti 3D industriali in Italia, in questa occasione proviamo a riassumere le principali questioni e tendenze che oggi guidano la competizione industriale sperando di suggerire qualche utile spunto di evoluzione.

COSTRUZIONE SU RICHIESTA E DI PROSSIMITA’. La produzione on-demand come paradigma strategico. Liberando dai costi/tempi fissi di processo e dalle strozzature o criticità derivanti dalle catene di approvvigionamento, la manifattura additiva è una soluzione ideale alle esigenze di snellimento e agilità della produzione. Grazie alle proprie intrinseche caratteristiche, “per definizione” la stampa 3D è una tecnologia principalmente adatta quando si tratta di realizzare prodotti on-demand e personalizzati. Che si tratti di pezzi ad uso intermedio interno o destinati a clienti esterni, spostando la fabbricazione da impianti farraginosi e lontani a sistemi semplici, facili da usare e vicini al punto di effettivo utilizzo comporta la riduzione a monte degli investimenti di capitale necessari e a valle quella dei costi di gestione, oltre che del rischio; le stampanti 3D alleggeriscono la fabbrica e la spostano verso il cliente effettivo. Con la manifattura additiva si possono anticipare o risolvere le criticità di manutenzione e assistenza (contestazioni, fermi) connessi alla tempistica o irreperibilità di ricambio; peraltro si possono servire nicchie applicative che per tipologia fuori standard o per limitata quantità sarebbero altrimenti inaccessibili, quindi generare extra profitti o soddisfare/fidelizzare il cliente. Così cresce la redditività e si riduce l’incertezza delle attività aziendali, quindi il ROI tendenzialmente aumenta e accelera: fattori competitivi non più trascurabili nelle dinamiche industriali correnti. La stampa 3D di pezzi di ricambio è ancora poco sfruttata, anche per la carente certificazione ma i vantaggi potenziali di implementazione sono talmente grandi che stanno spingendo rapidamente verso l’epocale cambiamento del “magazzino digitale”, cioè di un catalogo virtuale da stampare in 3D all’occorrenza. La disarticolazione degli intermediari significa risparmio, minore impatto ecologico, ma anche lotta all’obsolescenza rendendo disponibili spare-parts altrimenti non (più) reperibili sul mercato.
CONSOLIDAMENTO DELLE PARTI. Ridurre gli assemblaggi per migliorare le prestazioni dei prodotti e dei processi. Moltissimi pezzi di uso quotidiano sono il risultato dell’assemblaggio di parti componenti: dai motori più complessi agli accessori domestici più banali tutto viene costruito tramite processi di avvitamento, incollaggio o comunque montaggio; questo ampio campo di attività spesso impegnative o comunque costose spesso potrebbe essere risolto con la stampa 3D in pezzo unico. Il “consolidamento” delle parti è una grande opportunità per l’ingegnerizzazione dei prodotti e l’efficientamento dei processi di produzione industriale, perché oltre a generare grandi risparmi può potenzialmente permettere anche il miglioramento del prodotto (per esempio con la riduzione del peso o vibrazione/rumore o l’aumento della qualità funzionale e resistenza meccanica). Manifattura additiva e ottimizzazione del design generano redditività e vantaggi competitivi altrimenti irraggiungibili; oggi la stampare in 3D significa anche questo.
OTTIMIZZAZIONE TOPOLOGICA: la “progettazione generativa” come volano di nuove opportunità. La stampa 3D di solidi precedentemente disegnati per la manifattura tradizionale comporta comunque vantaggi operativi, soprattutto quando si tratta di realizzarne piccole quantità, ma essa libera davvero tutto il suo potenziale quando la forma dei pezzi in questione viene appositamente ripensata. La progettazione specifica per la stampa 3D è ben diversa del semplice adattamento tecnico dei vecchi files CAD (l’ esportazione in nuovi diversi formati, come .stl .igs o .stp), perché significa approfittare della possibile molto maggiore complessità di forma per raggiungere un miglioramento estetico o funzionale dell’oggetto in questione, comunque per aggiungerne valore; la “progettazione generativa” è dunque l’intervento nell’ottimizzazione geometrica del prodotto (svuotamenti interni per alleggerirne il peso r conformarne le tubature o personalizzazioni eccetera) ovvero la conservazione del minore materiale di costruzione possibile a parità di funzione con l’eliminazione del restante. Sul mercato sono disponibili vari software utili proprio a tale “ottimizzazione topologica”, che supportano l’utente a raggiungere semplicemente e velocemente i risultati desiderati calcolando e proponendo le soluzioni migliori sotto i vincoli posti. I vantaggi sono evidenti: in primo luogo di risparmio del tempo di progettazione e sviluppo del prodotto, perché è l’intelligenza artificiale che esegue le iterazioni; poi di esorcismo dalle inerzie del “si è sempre fatto così”; infine di riduzione degli sprechi, perché un design ottimizzato risparmi di risorse aziendali e contributo alla sostenibilità ambientale. In questo senso la stampa 3D è un fattore abilitanti nei percorsi di miglioramento continuo. Oltre che in settori (aerospaziale, automobilistico…) in cui la riduzione di peso dei prodotti è strategico e in prodotti di alta gamma, in prospettiva l’evoluzione degli oggetti verso forme nuove e insolite (“organiche”) o personalizzate conquisterà sempre più spazio di mercato. Il futuro è da conquistare, ma è possibile stamparlo in 3D già oggi.
AUTOMAZIONE: l’integrazione di robot e stampanti 3D come ulteriore moltiplicatore di benefici. La stampanti 3D sono già in sé stesse molto più “automatiche” di macchine sottrattive tradizionali (che necessitano di progettazione del percorso macchina e dell’intervento di operatori specializzati), per non parlare dei processi di stampa ad iniezione; eppure i processi di produzione in manifattura additiva possono essere ulteriormente automatizzati grazie all’integrazione di robot, spingendo la produttività (velocità, tirature) della stampa 3D su livelli altrimenti insospettabili. Il primo esempio di questa possibilità è nella manipolazione dei pezzi all’interno di celle operative, dove i robot movimentano le attrezzature stampate in 3D o ne configurano i set di lavoro (impilamento, rifinitura); altre esempi sono l’alimentazione dei consumabili delle stampanti 3D (per motivi di sicurezza o di efficienza della logistica), il controllo del processo (monitoraggio dell’effettiva coerenza dei pezzi stampanti alle specifiche di commessa) o il post-trattamento dei pezzi stampati (per il miglioramento estetico o funzionale).Alcuni costruttori di stampanti 3D stanno introducendo spontaneamente moduli accessori di automazione a valle dei propri prodotti, per ora soprattutto per soluzioni customizzate sulle esigenze dei grandi clienti; ma sicuramente l’automazione della stampa 3D è un passo in avanti della manifattura additiva per la produzione di massa e una tendenza aurea di evoluzione industriale.
MASS-PRODUCTION: la manifattura additiva di pezzi da uso finale in medie e grandi tirature. Stampa 3D non significa solo pezzi unici o piccoli lotti, ma anche produzione in grandi tirature. Alcune delle aziende convertite – o integrate – a questo tipo di manifattura additiva sono tipicamente in settori dove il prodotto è unico ma in grandi volumi, come il medicale (impianti dentali o acustici personalizzati, ottenuti da scansione del paziente; dispositivi calibrati e modulati su percorsi di cura; chirurgia sostitutiva) o lo sportivo (suole personalizzate sull’atleta per bilanciamento o miglioramento delle prestazioni). Ma anche in altri ambiti consumer – varie applicazioni in ambiti com automotive, engineering, elettronica, gioielleria) sempre più la manifattura additiva di massa aggiunge valore in termini di personalizzazione e di produzione su richiesta: occhiali, scarpe, attrezzature, bigiotteria che possono essere customizzati nel design e nella misura. Questo sta spingendo a cambiamenti anche nelle catene distributive, dove il negozio è chiamato a dotarsi come punto di raccolta e persino di esecuzione dell’ordine (scansione, configurazione, stampa 3D) oltre che di proposta e pura vendita; la consegna in prossimità per le aziende significa peraltro minori tempi di trasporto, stoccaggio e commercializzazione quindi maggiore redditività. Dal punto di vista tecnologico, la disponibilità di stampanti 3D sempre più produttive (per dimensioni e velocità di realizzazione) è un volano di questo trend: così la manifattura additiva conveniente in comparazione con le alternative tradizionali (fresatura o stampaggio a iniezione); anche la maggiore disponibilità di materiali, quindi di possibili applicazioni, aiuta nella prospettiva.
BIG-DATA: l’analisi massiva di dati per il miglioramento continuo. I grandi blocchi di informazioni analizzati tramite calcolatori potenti e l’intelligenza artificiale permettono oggi di ottenere una efficienza di produzione solamente immaginabile fino a qualche anno fa; la stampa 3D è uno dei campi di applicazione di queste opportunità, all’interno dei cui processo trova varia possibile concretizzazione dall’analisi del disegno CAD al controllo della qualità. In questo senso i produttori di stampanti 3D stanno sviluppando la propria gamma con prodotti di nuova generazione dotati di una varietà di sensori per il monitoraggio continuo e l’intervento in tempo reale, finalizzati alla correzione di eventuali anomalie o al miglioramento della accuratezza e ripetibilità. Il vantaggio di avere poter gestire terabyte di informazioni si tradurrà sempre più nella coerenza e qualità delle parti realizzate in manifattura additiva, ma anche nell’adeguatezza di applicazioni in ambiti complessi o di ricerca.
CERTIFICAZIONI E STANDARD: regole condivise per la garanzia di qualità e sicurezza. Con il consolidarsi delle tecnologie di stampa 3D usate sul mercato, cresce anche la necessità di avere standard produttivi e qualitativi chiari e condivisi; l’uniformità dei processi realizzativi e delle proprietà dei prodotti servono all’industria per lavorare opportunamente in modo prevedibile, affidabile e sicuro, soprattutto come in ambiti stringenti come il medicale, l’aerospaziale, il militare e altri sensibili. Per la manifattura additiva soddisfare questa esigenza è piuttosto complicato perché oltre alle macchine, ai software e ai materiali sono coinvolte altre variabili di processo e di specifica applicazione difficili da uniformare (per esempio la progettazione, la geometria e il suo posizionamento sul piano di lavoro, le specifiche meccaniche attesa); ma la sfida è stata accettata e – negli ultimi anni – in qualche modo anche recepita. Le stampanti 3D di nuova generazione, infatti, hanno implementato importanti capacità di garantire adeguatezza, coerenza e ripetibilità rispetto alle specifiche di commessa; inoltre le agenzie internazionali terze, come ASTM e ISO – specializzate in questo tipo di attività – hanno iniziato a prevedere quadri regolamentari dedicati ai materiali, ai processi e al controllo di qualità. Anche se rimane ancora moltissimo da fare per raggiungere i livelli dei settori maturi della manifattura tradizionale, questi primi passi stanno facilitando l’ulteriore adozione e utilizzo della stampa 3D, soprattutto nelle industrie da produzione.
GESTIONE DELLE FLOTTE DI STAMPANTI 3D: sulla strada per gli ecosistemi di produzione. Le stampanti 3D 3D industriali di nuova generazione sono ormai concepite come vere e proprie piattaforme (macchine, software e materiali reciprocamente ottimizzati) più che come soluzioni stand-alone, ovvero perfettamente compatibili ed integrabili nei sistemi informativi aziendali generali (programmi ERP, ecc). L’interconnessione è un vantaggio concreto: prima di tutto di efficienza, perché avere progettazione, simulazione/preventivazione, stampa 3D, e controllo di qualità in un flusso coerente significa poter sdoganare a tutti gli effetti la manifattura additiva nella produzione industriale; ma anche di competizione, perché permette di inserirsi e approfittare dei benefici di Fabbrica 4.0. Così la stampa 3D si candida a risolvere anche i problemi aziendali di aleatorietà/variabilità di costo dei componenti, di indipendenza/controllo rispetto agli approvvigionamenti esterni, di maggiore affidabilità/redditività delle commesse, di più ampia versatilità nelle sfide di mercato; l’intelligenza artificiale applicata alla manifattura additiva (autodiagnostica e apprendimento automatico) non è solo uno scenario d’avanguardia ma una realtà operativa odierna. Qualunque sia il futuro delle industrie di produzione, con la stampa 3D è già iniziato.
STAMPA 3D IN PLASTICA DI GRADO INDUSTRIALE: l’uso di materiali compositi e tecnopolimeri. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente l’offerta di materiali “ingegneristici” adatti alla manifattura additiva industriale, che ha dato un ulteriore impulso alle applicazioni da produzione. In particolare i materiali compositi (caricati e rinforzati in carbonio, kevlar, vetro o altre fibre) hanno segnato una svolta rendendo possibile realizzare pezzi con resistenze e performances meccaniche (rigidità, alte temperature, struttura rispetto al peso) prima preclusi; ma anche i tecnopolimeri come l’Ultem e il PEEK stanno vedendo un forte incremento, per applicazioni in pezzi da sterilizzare o da usare in contatto/immersione in condizioni estreme di lavoro. Questi nuovi consumabili hanno abilitato e finalmente sdoganato la stampa 3D in applicazioni di metal-replacement, ovvero la sostituzionecon pezzi in materiali plastici (più leggeri, economici e facilmente personalizzabili) di analoghi altrimenti ottenuti in alluminio o altre leghe metalliche. L’inedita accessibilità della stampa 3D di qualità industriale permette alle aziende di vari settori (navale, aeronautico, bike & motorbike…) di rendere più efficienti e versatili i propri flussi operativi, oltre che si sfruttare nuovi vantaggi competitivi.
STAMPA 3D IN METALLO: la frontiera della manifattura additiva sempre più a portata di mano. I costi di investimento/gestione per le macchine sempre più bassi e la maggiore scelta di materiali di consumo hanno trasformato la manifattura additiva in metallo come il segmento a maggiore crescita (tassi di oltre il 40% negli ultimi anni). Ci sono ormai diverse tecnologie e varianti disponibili nel mercato tra cui l’utente può scegliere, in ideale compromesso le proprie specifiche esigenze e i vantaggi/svantaggi tipici di ogni alternativa, classificabili in due macro categorie: il processo diretto con fusione di polveri tramite laser (tendenzialmente più dettagliato ma anche molto più impegnativo) e il processo indiretto con veicolo delle polveri tramite vettori transitori poi ripuliti fino a rendere il pezzo in purezza (tendenzialmente meno raffinato ma anche molto più accessibile).Nella scelta della stampa 3D in metallo rispetto alla manifattura tradizionale è decisiva l’opportunità del risparmio di materiale, arrivando a riduzione di sprechi e sfridi di oltre il 90% rispetto alla fresatura o comunque a risparmi di costo notevolissimi, a maggior ragione considerando la corrente ed imprevedibile variabilità dei prezzi delle materie prime; ma anche la possibilità di ottimizzazione/alleggerimento dei pezzi è importantissima, soprattutto nelle industrie dove il peso delle parti è fondamentale. In questo senso la sempre maggiore diffusione anche di scanner 3D spinge ad stampare in 3D design customizzati ottenuti da “reverse engineering” (invece che da disegno CAD).In prospettiva la stampa 3D in metallo sarà sempre più una leva potente di sviluppo, che cambia non solo il modo di costruire gli oggetti ma quello di concepirli (ciclo di vita, catene di approvvigionamento, tempi di consegna).