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GUIDA ALLA STAMPA 3D IN METALLO Come scegliere il sistema più adatto alle proprie esigenze

Benefici della manifattura additiva da produzione – Tecnologie e materiali disponibili – Applicazioni notevoli –
Calcolo del ROI in ottica di investimento – I vantaggi del sistema “Metal X” di Markforged

INTRODUZIONE – Rendere più efficienti lo sviluppo e la produzione con la stampa 3D

La manifattura additiva ha introdotto un modo dirompente di produrre. Fino a qualche tempo fa la tecnologia non era del tutto matura per un utilizzo industriale intensivo ma con gli sviluppi avuti negli ultimi anni è diventata una soluzione affidabile e scalabile, che impatta significativamente non solo sul modo di realizzare i prodotti ma anche su quello di intendere i processi. A causa del clamore mediatico che la accompagna fin dagli esordi, alcuni associano ancora la stampa 3D in metallo a vaghi luoghi comuni o a pregiudizi scorretti, comunque solo ad una faccenda da grandi compagnie; mentre invece sta sempre impattando a tutti i livelli. Per questo intendiamo qui offrire una panoramica un po’ più dettagliata dello stato di fatto, cercando di chiarire quali tecnologie e materiali siamo effettivamente disponibili sul mercato, come possano generare valore, come valutare la sostenibilità di un investimento fino a quali passi siano poi consiglaibili per una adozione consapevole.
SOMMARIO: 1) Benefici della manifattura additiva in metallo. 2) 3) Tecnologie e materiali disponibili; 4) Applicazioni notevoli. 5)
Calcolo del ROI di una stampante 3D in metallo. 6) Massimizzare la resa dell’investimento. 7) Perché scegliere il sistema “Metal X”.

1. BENEFICI DELLA STAMPA 3D IN METALLO

La manifattura additiva sta cambiato il panorama industriale in quanto processo più agile, rapido e conveniente rispetto ai metodi tradizionali. Che l’esigenza sia semplificare i processi di progettazione e di programmazione, accorciare drasticamente i tempi di consegna, aggiungere valore al prodotto o risparmiare nei costi di produzione, la stampa 3D in metallo aiuta a centrare l’obiettivo.

I vantaggi economici

Per molto tempo i benefici tangibili derivanti da un investimento in soluzioni di stampa 3D in metallo sono stati quasi offuscati
dal fascino trendy del suo utilizzo; ma la manifattura additiva porta vantaggi concreti; ecco tre modi per identificarli…

Maggiore tempismo al mercato: perché perdere tempo con lunghi cicli di sviluppo e produzione del prodotto?
La ricerca e sviluppo è una fase fondamentale: molte iterazioni perfezionano il risultato ma troppe ritardano la redditività; se il tempo dedicato al miglioramento non può essere eliminato, quello perso in attese improduttive si. La manifattura additiva è la soluzione senza compromessi: una stampante 3D in metallo può
prototipare parti funzionali in modo rapido e conveniente; all’occorrenza può realizzare strumenti, attrezzature ed altre componenti da uso intermedio sulla line a di produzione; infine può produrre piccole tirature di pezzi da uso finale.
Minori costi di produzione: perché spendere soldi extra a causa della rigidità dei processi?

La produzione è costosa: richiede manodopera qualificata, macchine avanzate e utensili adatti in una combinazione efficace. Così molte volte si punta all’ottimizzazione delle linee di produzione a scapito della flessibilità; altre volte si sottovaluta le perdita economica connessa all’impiego delle macchine per la realizzazione di utensili ad uso interno (o di altri parti non generatrici di entrate) invece che alla produzione di pezzi per il mercato cui dovrebbero essere destinate; spesso la manodopera qualificata è distatta nella soluzione di problemi laterali invece in da attività a maggior valore. Le stampanti 3D in metallo aumentano la flessibilità nella produzione, liberando il tempo dedicato a parti redditizie. Che si tratti di produrre attrezzature, minimizzare i fermi non pianificati, semplificare il lavoro, questi sistemi aiutano a sfruttare le risorse aziendali in modo più conveniente

Flussi di lavoro più efficienti: perché insistere in attività poco ottimizzate?
Processi di approvvigionamento complessi da fornitori esterni, ritardi imprevisti, commissioni non urgenti rimandate sistematicamente in coda: spesso i problemi nel ciclo di produzione si riverberano su tutta l’organizzazione così semplici contrattempi logistici provocano il caos. La manifattura additiva in metallo aiuta a diventare più flessibili e reattivi
perché con essa si abbattono i tempi di programmazione, si abbreviano quelli di produzione, si riduce il lavoro-uomo; e i progetti diventano digitali così da poter essere stampati su richiesta, quando e dove serve.

Vantaggi tecnici

I vantaggi tecnici della manifattura additiva vanno ben oltre la capacità di produrre economicamente parti altrimenti difficili o impossibili da realizzare e consistono in una serie di sfide tecniche che la stampa 3D in metallo è più adatta ad affrontare rispetto ai metodi di fabbricazione convenzionali.
Le aziende che riescono ad implementare tali vantaggi all’interno dei propri processi e delle proprie specifiche esigenze possono raccogliere o consolidare importanti vantaggi competitivi.

Complessità geometrica: perché non liberare i progetti dai tradizionali vincoli produttivi?
A differenza di quanto avviene con i metodi convenzionali, con la manifattura additiva i costi di produzione non sono influenzati dalla complessità delle parti; quindi la realizzazione di pezzi difficili diventa più economica, facile e veloce. Le stampanti 3D in metallo sono particolarmente adatte alla fabbricazione di parti complesse nella forma o nell’assemblaggio, per esempio strutture multicomponente riducibili in blocco unico, canali conformati, pezzi personlizzati.

Produzione senza utensili: perché realizzare attrezzature se non è necessario?
Molte parti prodotte con i metodi tradizionali richiedono in accessorio strumenti e attrezzature personalizzate (utensili, posaggi, dime, maschere…) – in singolo pezzo o in piccole tirature – possono raggiungere costi proibitivi. A prescindere dalla parti che si intende ottenere, le stampanti 3D in metallo non usano tooling customizzati, parti accessorie o regolazioni dei settaggi, come invece di volta in volta necessario con le macchine CNC o con gli altri sistemi tradizionali; questo permette di risparmiare tempi e costi di produzione.

Produzione senza disegni: perché perdere tempo in specifiche di commessa o programmazione CAM?
Le parti ottenute da lavorazione meccanica richiedono disegni di commessa, scrittura di percorsi macchina (CAM) o entrambi; le parti stampate in 3D no. I software di gestione integrati nelle stampanti 3D in metallo “affettanoi” i files tridimensionali CAD ma funzionano anche come generatori ed esecutori automatici dell’interfaccia macchina necessaria ad ottenere la parte desiderata; così, invece di fare disegni e programmare ogni volta, basta solo orientare brevemente il solido sul piano di lavoro e selezionare materiali/impostazioni desiderate per lanciare immediatamente la stampa. Inoltre i sistemi di stampa 3D in metallo perlopiù non richiedono supervisione o intervento umano lungo la
fase di costruzione, così si può passare dall’ideazione della parte direttamente al sua produzione con meno tempo e con meno manodopera.

2. TECNOLOGIE DI STAMPA 3D IN METALLO

La maggior parte delle tecnologie di stampa 3D del metallo utilizzano materiali di costruzione inizialmente in forma di polvere, che poi vengono formti nel cambio di stato in solido; in questa categoria le principali differenze tecniche tra sistemi si riconducono ai processi con cui tali polveri vengono solidificate (con laser ad alta intensità o con flussi di energia). I sistemi recenti – più seplici e più economici – percorrono invece la via di utilizzare materiali ibridi dove la polvere di metallo è tenuta da leganti plastici in forma di filamenti in bobina, così che possano essere estrusi a bassa temperatura e realizzare un pezzo transitorio via via raffinato fino al risultato finale desiderato in purezza.
Ogni tecnologia presenta vantaggi e svantaggi, che devono essere ponderati in base alle proprie esigenze. Qui di seguito tratteremo più nel dettaglio i quattro tipi più comuni di tecnologie:

  • Powder Bed Fusion (fusione diretta su letto di polvere)
  • Direct Energy Deposition (fusione diretta per getto di polvere)
  • Binder Jetting (fusione indiretta da getto di legante)
  • Bound Powder Extrusion (fusione indiretta da estrusione)

Schema comparativo delle caratteristiche dei diversi sistemi di stampa 3D del metallo.

Sistemi “Powder Bed Fusion” (SLM – DMLS – DMP – EBM)

La tecnologia “a letto di polveri” è quella più matura allo stato, tanto da essere considerata un riferimento rispetto al quale confrontare le altre; i sistemi di questo tipo utilizzano una fonte di energia ad alta potenza (solitamente un laser) che viene fatta opportunamente agire sul piano di lavoro dove fondono selettivamente le polveri adagiate, risolidificandole nella forma desiderata. Questa soluzione è tendenzialmente più adatta a realizzare pezzi complessi e dettagliati ma è molto impegnativa dal punto di vista dell’investimento e del costo di gestione della macchina oltre che delle competenze (calibrazioni, preparazioni, rimozione dei supporti, post-lavorazioni…) necessarie per il buon fine dell’operazione.

Pro:

  • Ampia scelta di modelli macchina e di materiali.
  • Adeguatezza a geometrie complesse.
  • Una volta impostato, il processo è in grado di produrre ripetutamente parti di alta qualità.

Contro:

  • Costi per impianti accessori, di settaggio del sistema e di assorbimento di ore in lavoro-uomo.
  • Necessità di post-lavorazioni meccaniche (rettifiche, elettroerosione) per la rimozione dei supporti di costruzione e di trattamenti termici per la riduzione delle deformazioni (o dei rischi di rottura delle parti). Possibili ripetizioni per ottenere una stampa di successo.
  • Le parti sono saldate alla piastra di costruzione, vanno quindi rimosse con EDM o sega a nastro.
  • La polvere metallica sfusa è volatile con rischi per la sicurezza del lavoro e richiede specifiche formazione/attrezzature per essere manipolata. Il cambio dei materiali di costruzione è impegnativo e comporta lunghi fermi-macchina.

GIUDIZIO:

Sebbene questi sistemi potenti e raffinati siano in grado di gestire progetti ambiziosi, a causa del loro costo elevato sono sostenibili solo per grandi realtà industriali o per applicazioni ad altissimo valore aggiunto.

Sistemi “Direct Energy Deposition” (DED – WIRE DED)

Le macchine a deposizione diretta di energia utilizzano materiali di costruzione inizialmente in forma di polvere (“DED”) o di filo (“Wire DED”), che vengono solidificati grazie al lavoro di un laser; a differenza di quelle “a letto di polvere”, il consumabile viene erogato tramite una testina di stampa simultaneamente all’energia. Si tratta di sistemi un pò più veloci ma molto meno accurati dei primi, prestandosi ad una vatrietà di applicazioni creative. La variante a filo, diffusa in nicchie ancora più marginali del mercato, risulta particolarmente adatta alla produzione rapida di forme
grezze o di pezzi di grandi dimensioni .

Pro:

• Velocità di stampa alta
• Ampi piani di lavoro, adeguati a realizzare pezzi di grandi dimensioni in parte unica.
• I sistemi DED possono essere montati su bracci robotici a 5 assi, per aggiunta di materiale
• Possono essere usati su pezzi pre-esistenti (per loro riparazione o modifica).

Contro:

• Scarsa precisione (perfino grossolana, nel caso dei sistemi “a filo”) .
• La gestione delle polveri pone problemi di sicurezza e di competenze specialistiche d’uso.
• Importanti costi di preparazione e di manutenzione dei lavori

GIUDIZIO:

Essendo ancora più impegnativi di quelli a letto di polvere ma (molto) meno precisi, l’utilizzo di questi sistemi si giustifica solo in grosse realtà industriali e quasi esclusivamente per esigenze di pezzi di grandi dimensioni, stampa multiplanare o nella riparazione dinamica di parti.

Sistemi “Binder (Metal) Jetting”

Il sistema a getto di resine utilizza specifici leganti polimerici liquidi come vettori della polvere di metallo, creando tavolate assemblate di più parti che possono essere sinterizzate in lotti; così si caratterizza per l’alta produttività e ripetibilità, con buona velocità. Pur mostrando un importante potenziale come soluzione da produzione, si tratta di una tecnologia ancora immatura, tutta da verificare in termini di effettiva precisione o qualità delle parti oltre che di affidabilità del sistema.

Pro:

  • Il processo non utilizza laser, quindi ha minore consumo di energia; inoltre consente una ottimizzazione del volume di costruzione rispetto ai sistemi a letto di polvere.
  • Utilizzando una testina di stampa a getto, ha una produttività notevolmente maggiore rispetto agli altri metodi.
  • Il processo è adatto a realizzare geometrie altamente complesse/intricate e non richiede la separazione meccanica dalla piastra di costruzione.

Contro:

  • La gestione delle polveri richiede risorse significative.
  • Effettiva accuratezza dimensionale, densità e ripetibilità delle parti ancora da accertare.
  • Le parti stampate sono estremamente fragili prima di essere sinterizzate, quindi vanno manipolate con cura.

GIUDIZIO:

Pur essendo ancora esposta alle criticità di gestione delle polveri sfuse, a considerevoli competenze d’uso e soprattutto all’effettiva verifica sul campo, questa tecnologia appare più economica di quelle del tipo PowderBedFusion; quindi ha un interesse potenziale nella prospettiva della manifattura additiva da produzione di volumi medio-alti. Se ne attendono sviluppi significativo nei prossimi 5 anni.

Sistemi “Bound Powder Extrusion” (ADAM…)

Il processo lanciato per primo da Markforged si distingue da tutti
gli altri per la caratteristica di usare come materiale di costruzione polvere di metallo legata con resine cerose in forma di filo in bobina (non in forma di polvere sfusa); così estrude un pezzo transitorio tramite una semplice stampante da scrivania, per poi perfezionarlo con un lavaggio chimico e una sinterizzazione termica fino ad ottenere il pezzo finale desiderato. Grazie ai bassi costi di investimento/gestione ed alla estrema semplicità d’uso, questi sistemi rendono finalmente accessibili la soluzioni di manifattura additiva in metallo ad un’ampia varietà di applicazioni anche a minor valore aggiunto. Pur relativamente recente, è una tecnologia già diffusa sul campo a livello globale, dove ha mostrato la sua effettiva capacità e affidabilità realizzativa

Pro:

• Costi di proprietà e gestione significativamente più bassi rispetto agli altri sistemi.
• Semplicità d’uso e affidabilità (successo di stampa al primo tentativo).
• No criticità di gestione/volatilità delle polveri.
• Ampia potenzialità di sviluppo dei materiali, alcuni dei quali impossibili in altre tecnologie.
• Estrema facilità nella rimozione dei supporti di costruzione, pezzi non saldati al piano di lavoro.
• Possibilità di stampa di pezzi con riempimento alveolare in cella chiusa, per loro allegerimento

Contro:

• “Colli di bottiglia” insiti alle fasi del processo.
• Minore capacità di dettaglio e di complessità geometrica rispetto ai sistemi a laser.
• I pezzi di dimensioni molto grandi possono allungare notevolmente i tempi di produzione

GIUDIZIO:

Sebbene a volte esposti ad una produttività condizionata, questi sistemi sono estremamente economici e facili da usare tanto da aver allargato molto la sostenibilità della manifattura additiva in metallo ad una varietà di applicazioni ed ambiti finora inediti.

3. I MATERIALI DI STAMPA 3D IN METALLO

Col progressivo sviluppo della manifattura additiva, negli anni si sono resi disponibili sempre più materiali di costruzione; il mercato ha premiato lo sviluppo delle proposte più significative in termini di valore aggiunto in confronto alle tecnologie tradizionali, o per risparmi di costo pezzo o per complessità geometrica. Qui presentiamo la scelta dei principali metalli in
dotazione ai vari sistemi di stampa 3D.

ACCIAIO

L’Acciaio è il metallo più comunemente utilizzato nella stampa 3D. Le sue
ottime proprietà meccaniche, la versatilità realizzativa e l’ampio utilizzo nella produzione industriale lo rendono la soluzione basilare per la realizzazione di pezzi di qualità. Caratteristiche generali: ottima resistenza e rigidità; varietà di proprietà meccaniche; adeguatezza a trattamenti termici.
Tecnicamente si possono stampare in 3D parte di acciaio di due tipi,
inossidabili e utensile.

  • Acciai inossidabili sono tenaci e rigidi, con ottima resistenza alla corrosione grazie ad un significativo contenuto di cromo (12-18%). Vengono comunemente stampati in 3D due tipi di acciai inox:
  1. Austenitici”sono il tipo più comune, resistenti alla corrosione e adatti sia adessere lavorati che saldati ma non trattati termicamente. Il classico: 316L.
  2. “Martensitici” sono il tipo più duro, adatti ai trattamenti termici (per acquisire migliori proprietà meccaniche) ma spiù fragili e meno resistenti alla corrosione. Il classico: 17-4 PH.
  • Acciai utensile, estremamente duri grazie ad un contenuto di carburo, sono resistenti all’abrasione ed alle alte temperature, quindi adatti ad applicazioni destinate al taglio, alla fresatura o agli urti. I più comuni sono:
  1. Gli acciai utensile della serie “A”, adatti a lavorazioni di uso generale perché bilanciano resistenza all’usura e tenacità. Il classico è il A2 (DIN 1.2363), versatile, per lavorazione a freddo, spesso utilizzato per punzoni e matrici.
  2. Gli acciai utensile della serie “D”,ottimi nella resistenza all’usura in applicazioni a freddo. Il classico è il D2 (DIN 1.2379), utilizzato per tutti strumenti da taglio, lame e coltelli industriali.
  3. Gli acciai utensile della serie “H”, con eccellente mix di tenacità e resistenza a usura/calore. Il classico è “H13” (DIN 1.2344), soprattutto usato in applicazioni di taglio e modellazione in esposizione ad alte temperature (cicliche).

SUPERLEGHE

La manifattura additiva in metallo consente di produrre parti ad alto valore e ad alta prestazione in modo più conveniente rispetto ai metodi sottrattivi. Le superleghe si adattano ad ambiti difficili: esposizione a calore e ad agenti chimici (corrosivi), o ad entrambi. Sebbene esistano diversi materiali di questo tipo, i due più comunemente usati in stampa 3D sono l’Inconel e il
Cromo-Cobalto. Caratteristiche generali: eccellenti proprietà meccaniche; resistenza al calore; ottima stabilità superficiale; resistenza alla corrosione; biocompatibilità.

Inconel

Le leghe al nichel sono estremamente forti, con una grande tenacia e resistente alla corrosione; quindi solitamente sono utilizzate nella costruzione di turbine, guarnizioni motore e componentistica di uso aerospaziale. I classici: 625 (DIN 1.7744), più resistente al calore, e 718
più duro. Risultando molto costose nelle lavorazioni convenzionali, offrono grandi opportunità di applicazione in stampa 3D.

TITANIO

Sebbene non sia un materiale molto diffuso nella industrializzazione
convenzionale, le caratteristiche proprietà il costo elevato (sia della materia
prima che della sua lavorazione) rendono questa lega un’ottima opzione per la manifattura additiva. Caratteristiche generali: eccezionale rapporto
resistenza/peso; resistenza alla temperatura ed agli agenti chimici; biocompatibilità (a seconda delle leghe e dei trattamenti). Il titanio viene tipicamente stampato in due modi, in purezza o in legatura:

  • Titanio legato Il titanio raggiunge la sua resa migliore se legato con altri metalli. Il tipo comune è il Ti-6Al-4V, più resistente e il 40% meno denso dell’acciaio inox. Eccelle se messo alla prova di corrosione e calore, soprattutto dove la leggerezza della parte è un plus in ambito aerospaziale e in macchine ad alte prestazioni.
  • Titanio puro. Il Titanio commercialmente puro (CP Ti) è meno forte ma altamente biocompatibile; pertanto viene soprattutto utilizzato per innesti chirurgici e ed altre applicazioni di ambito medicale.
  • Cromo-Cobalto. Si tratta di una variante di titanio di qualità superiore, più denso e più costoso, noto per le sue doti di biocompatibilità, per l’elevato rapporto resistenza/peso e per la resistenza alla corrosione; viene utilizzato anche in ambito meccanico (più che altro per applicazioni esposte ad agenti ambientali e chimici) ma è soprattutto utilizzato in ambito medicale segnatamente agli impianti ortopedici e dentali.

ALLUMINIO

Sebbene effettivamente in dotazione ad alcune stampanti 3D in metallo, questo materiale è utilizzato marginalmente in manifattura additiva rispetto alla produzione tradizionale a causa della persistenza di fattori industriali che lo rendono poco attraente, soprattutto la qualità non eccelsa ottenibile per via della stampa 3D e il basso costo con cui è offerto nell’industria convenzionale. Caratteristiche generali: leggereza; durata; duttilità.
Le leghe di alluminio più comuni come Al6061 e Al7075 non sono disponibili in stampa 3D. Semmai nei sistemi con tecnologia a letto di polvere si stampano surrogati più morbidi adattati alla fusione, con contenuto fino al 12% di silicio che riducono le proprietà meccaniche. Difficile prevedere quando l’alluminio sarà più diffuso in stampa 3D: è
sostanzialmente una questione di convenienza economica. In alternativa, da parte il titanio e l’acciaio forniscono rapporti resistenza/peso simili (sopratuttto se le geometrie si ottimizzano con riempimenti “a nido d’ape”) d’altra parte l’uso di materiali plastici compositi (p.e. carbonio a deposizione continua) rendono resistenze analoghe ad una frazione del costo.

RAME

Pochi sistemi sono in grado di gestirlo eppure il rame è uno dei materiali metallici più interessanti della manifattura additiva in metallo: non perché abbia proprietà meccaniche notevoli, piuttosto per le sue eccezionali doti di conduttività termica e ed elettrica, che lo rendono ideale per una speciale nicchia di applicazioni come dissipatori di calore, bracci di saldatura e sbarre collettrici; la stampa 3D consente agli ingegneri di creare parti ottimizzate geometricamente e personalizzate a un costo molto inferiore rispetto a quello che si avrebbe con i metodi di produzione consueti.
Caratteristiche generali: conducibilità elettrica; conducibilità termica; resistenza alla corrosione; duttilità. Il rame può essere stampato in 3D nella sua forma pura o più – comunemente – nella sua forma legata:

  • Rame puro. Il rame puro ha migliore conduttività termica ed elettrica rispetto a quello legato, quindi è l’opzione prefebile; tuttavia, a causa della sua alta riflessione al laser, è tecnicamente incompatibile con i sistemi di stampa 3D a letto di polvere mentre è disponibile solo su quelli di estrusione a polveri legate. Per il sistema “Metal X” è disponibile un materiale al 99.8% di purezza.
  • Rame legato. Il rame legato contiene in percentuale anche altri elementi, che da una parte gli permettono di essere stampato con la tecnologia a letto di polvere che altrimenti non riescirebbe a gestirlo in forma pura ma che dall’altra ne abbassano e ibridano le proprietà conduttive; in questo senso è meno preferibile. Alcuni sistemi Powder Bed Fusion propongono il materiale C18150, una lega con Cromo e Zinco.

4. APPLICAZIONI

Oltre ad essere informati sulle innovazioni tecnologiche per soddisfare una astratta curiosità di aggiornamento professionale, gli operatori dovrebbero poi verificare se e come esse si possano applicare concretamente alla propria realtà operativa. Seguire suggerimenti generali sulle applicazioni da realizzare con una stampante 3D in metallo può essere fuorviante, perché il loro valore dipende molto dalla specifica capacità di identificare criticità correnti e dalla volontà di trovare soluzioni per questa via alternative; come spunto di riflessione, si può però fare notare che la manifattura additiva di fatto viene applicata con successo nelle attività di prototipazione funzionale (ricerca e sviluppo prodotto) o di produzione da uso intermedio (attrezzature, ricambi) e di produzione da uso da uso finale (componenti).

  • Prototipi funzionali. L’attività di prototipazione è una risorsa fondamentale sia per l’evoluzione del prodotto sia per il supporto generale alla produzione. Per definizione necessita di pezzi unici o di piccole tirature spesso generando alti costi e lunghi tempi di realizzazione (ancor più se lavorati con utensili o materiali variabili). La stampa 3D in metallo risolve il classico dilemma tra avere un prodotto buono con calma o uno mediocre in fretta, senza porre complicazioni di progettazione/programmazione di commessa o di utensile/ rilavorazione. La manifattura additiva in metallo accelera il time-to-market senza compromessi con la qualità.
  • Parti di ricambio e manutenzione. Le parti destinate al ricambio o alla manutenzione (delle macchine o delle attrezzature in uso sulla linea di produzione sono componenti che spesso rimangono inutilizzate in giacenza di magazzino oppure che non si trovano se finite fuori catalogo.) La manifattura additiva offre l’opportunità di stampare le parti necessarie quando e dove servono, senza costi di attrezzaggio o di programmazione, evitando perdite dovute ai fermi della linea di produzione.
  • Attrezzature e utensili. Sulla linea di produzione alcuni strumenti di supporto alla lavorazione (tooling, posaggi, mascheraggi, dime) sono standard mentre altri possono essere più difficili da reperire; una sala attrezzi problematica può influenzare la sicurezza o redditività del lavoro. La manifattura additiva in casa consente di by-passare le forniture esterne e di ridurre tempi e costi di approvvigionamento. Inoltre, la stampa 3D in metallo può essere combinata a quella in composito (carbonio, kevlar, ecc) per creare strumenti economici ad alta prestazione e resa.
  • Prodotti unici o in piccoli lotti. Per la produzione di pezzi da uso finale in poche unità, la stampa 3D in metallo è spesso l’unica strada percorribile o comunque la più economica. Soprattutto in questi casi:
  1. Materiali speciali: fabbricare in leghe costose può essere insostenibile; stampando in 3D l’operazione può diventare praticanbile o addirittura vantaggiosa.
  2. Geometrie complesse: realizzare forme intricate può risultare costoso o addirittura impossibile nei metodi tradizionali; in questi casi la stampa 3D può essere la soluzione migliore.
  3. Tirature limitate: per la produzione su larga scala non ancora ma per quantità piccole/medie la stampa 3D può essere un’alternativa sostenibile; dipende dal processo convenzionale e dalle tecnologie di manifattura additiva che si confrontano.

5. CALCOLARE IL RITORNO DELL’INVESTIMENTO (ROI)

La manifattura additiva in metallo è una opportunità per motivi tecnici ed economici ma il fattore da considerare nella scelta di un possibile investimento è la realistica valutazione del valore aggiunto da essa apportato nei processi aziendali. Qui daremo alcuni suggerimenti per la corretta interpretazione del ROI delle stampanti 3D in metallo.

ROI finanziario

Il ROI finanziario calcola approssimativamente il tempo necessario perché una nuova macchina crei valore sufficiente a compensarne il costo d’acquisto. Il primo passo consiste nel quantificare i costi di acquisizione, che devono considerare: il prezzo della macchina, il costo di adeguamento logistico della propria struttura, i costi di spedizione e di installazione e
formazione all’uso, il costo di garanzia e di mantenimento (componenti consumabili, manutenzione); a seconda dei casi e del tipo della tecnologia scelta, l’acquisto di una stampante in metallo varia da 150.000 a 1.500.000 di euro se non oltre.
Il secondo passo è stimare il risparmio di costi operativi medi ottenuto grazie alla nuova soluzione rispetto alla vecchia, da ponderare nel tempo. Il calcolo dipende naturalmente dai processi e dai casi ma in generale si può approssimare in questo modo: prendere in considerazione una parte che tipicamente si intende implementare in manifattura additiva; stimare il suo costo di produzione nei metodi tradizionali e nel volume di produzione tipico; quindi farsi fare un preventivo della stessa parte stampata in 3D da un service esterno; calcolare il risparmio sui costi per unità di tempo con una parte stampate in proprio, sottraendo i suddetti valori e dividendo quel valore per il tempo di fabbricazione; infine prendere il costo complessivo della macchina e dividerlo per tale risparmio sui costi per unità di tempo (individuato nel passaggio precedente): l’indice ottenuto è il tempo
necessario a ripagarsi la nuova stampante 3D in metallo.

ROI indiretto

Il calcolo finanziario è una misura monetaria di sostenibilità dell’acquisto; ma il calcolo dei risparmi evidenzia solo una parte dell’impatto positivo che una stampante 3D in metallo può portare all’interno dell’azienda, in un’ampia gamma di modi non strettamente monetari. Quantificare sommariamente tali vantaggi permette di esprimere motivi aggiuntivi di giustificazione dell’investimento, che idealmente ne accorciano i tempi di ammortamento; ulteriori benefici intangibili da valutare sono:
• Riduzione dei tempi di consegna: oltre il servizio, accelerare il tempismo al mercato anticipa anche la redditività.
• Riduzione del lavoro: stampare in 3D può richiedere minore manodopera rispetto ai processi tradizionali; per esempio le
macchine CNC implicano tempo di disegno tecnico, di programmazione CAM, e di operatore addetto alle lavorazioni.
• Maggiore controllo e sicurezza: le parti realizzate in casa permettono minore incertezza sulla modalità e qualità di
avanzamento della commessa e i rischi connessi alla riservatezza di informazioni sensibili altrimenti circolanti all’esterno.
• Valore aggiunto al prodotto: i pezzi stampati in 3D possono risultare superiori in termini di personalizzazione del design
(stile) o di complessità ingegneristica (leggerezza, performance…) rispetto a quelli realizzati tradizionalmente.

ESEMPIO: IL CASO SHUKLA MEDICAL
Shukla Medical ha valutato che l’investimento in un sistema di stampa 3D in metallo – con tecnologia ADAM (Markforged “Metal X) – si ripaga in meno di due anni, usandolo per attività di prototipazione in-source. Questo il calcolo fatto:
Costi di acquisizione: comprare il sistema, tutto incluso (“chiavi in mano”, compreso i piccoli adattamenti fatti alla struttura) è costato circa 180.000 dollari.
Risparmi:
internalizzando le attività di prototipazione grazie alla nuova macchina, l’azienda ha previsto di risparmiare circa $ 1.000 per prototipo per un volume di circa 10 al mese ovvero circa $ 10.000 al mese.
Calcolo del ROI finanziario:
sulla base del risparmio annuo accumulato, l’azienda ha calcolato di raggiungere il break-even in meno di 3 anni.
Stima del ROI indiretto:
avere la macchina in casa ha permesso all’intero reparto R&S di essere più efficiente nelle operazioni: oltre alla libertà di esplorare nuove parti
capaci di portare vantaggi competitivi, i tempi di consegna più rapidi hanno consentito più iterazioni nello sviluppo del prodotto e consegne più rapide; inoltre un maggiore controllo sulla qualità delle commesse.

6. MASSIMIZZARE LA RESA DELL’INVESTIMENTO

Le stampanti 3D in metallo permettono di risolvere problemi produttivi e di risparmiare, facendo in modo nuovo quello che non si riusciva a fare (o si faceva male) nei modi tradizionali; ma riallocare le commesse non è abbastanza. Per cogliere appieno il valore portato dalla manifattura additiva è necessario ripensare proprio l’approccio alla produzione rispetto al passato. Ecco alcuni passi fondamentali che può essere utile affrontare nell’adozione stampa 3D in metallo per ottimizzare i prodotti e i processi.

Parametri e capacità della macchina

Il flusso di lavoro delle stampanti 3D è più o meno lo stesso per tutte importare un file CAD e costruire il solido affettato uno strato per volta – ma ogni sistema ha proprie specifiche caratteristiche: tecnologia, dimensioni, materiali, vincoli ed esigenze; le specifiche operative della stampante incidono in modo significativo sulla scala e sulla qualità della produzione.
Acquisire familiarità con i suoi parametri permette di fare un uso consapevole della manifattura additiva, portandola ad una resa superiore. Per esempio è importante avere una piena comprensione delle tempistiche del ciclo: quanto dura e cosa comporta ogni fase? È meglio avviare una stampa la sera o nel fine settimana? La confidenza col mezzo permette di
ottenerne il massimo.

Ottimizzazione progettuale (Design For Additive Manufacturing)

Oltre a quelle della macchina, anche le tipicità di processo della manifattura additiva rispetto a quello sottrattivo influiscono in modo importante sugli esiti finali; non sempre e necessariamente, ma ripensare il design della parte nell’ottica delle opportunità realizzative offerte dalla stampa 3D è un aspetto sensibile da considerare, perché cambia le leve di vantaggio su cui puntare. Il pezzo può essere adattato per aumentarne la funzionalità (conformazione)? Può essere alleggerito a parità di resistenza (svuotamenti, riempimenti alveolari)? Un suo sotto assieme può essere consolidato per avere meno parti o un pezzo unico (assemblaggi)? La stampa 3D offre nuove frontiere di ottimizzazione topologica e apre un nuovo campo di possibilità

Inventario digitale e gestione dei files

Un vantaggio esclusivo della stampa 3D in metallo rispetto ad altri metodi tradizionali è la possibilità di produrre ondemand in modo economico. Invece di immagazzinare fisicamente le parti, l’inventario digitale dei loro disegni consente di conservare agevolmente le specifiche progettazione per richiamarle – e all’occorrenza modificarle – solo quando/ se necessario senza dover ricominciare ogni volta daccapo; inoltre, tramite il cloud, abilita evoluzioni collaborative dei disegni anche insieme a colleghi e a collaboratori di filiali lontane o esterni all’azienda.
L’inventario digitale permette costi inferiori con un flusso di lavoro più rapido e flessibile, privo dell’inventario convenzionale.
Il corretto approccio alla manifattura additiva inizia dalla digitalizzazione dei propri component.

7. PERCHE’ SCEGLIERE IL SISTEMA MARKFORGED “METAL X”

Una gamma di materiali di grado industriale

Dall’inox all’utensile, dalle superleghe alle leghe tecniche, la piattaforma “Metal X” supporta un’ampia varietà di materiali utilizzabili con lo stesso sistema, facili da gestire (senza polveri volatili) e facili da cambiare (senza fermi-macchina). I materiali
Markforged sono ottimizzati per supportare molte applicazioni nei settori verticali: di uso generale, come gli acciai duttili (17-4PH); di uso utensile, come gli acciai resistenti durevoli e stabili per uso anche a temperatura (D2, A2, H13); le leghe per uso in ambienti corrosivi (Inconel 625) e per uso ad alte prestazioni di resistenza/peso (Titanio 64) o di conducibilità termica/elettrica (Rame puro). Una disponibilità di materiali in continuo sviluppo…

Qualità garantita

La soluzione di manifattura additiva del metallo “Metal X” di Markforged, con tecnologia di estrusione di polveri legate (ADAM), è calibrato per una produzione di livello industriale. Si tratta di un sistema composto da tre macchine, progettate in ogni parte per ottenere pezzi della massima qualità con la migliore esperienza d’uso da parte dell’operatore.
E’ necessario un approccio sistemico per raggiungere i massimi risultati; ecco perché Markforged combina un software proprietario (riconosciuto come il migliore della categoria), una ricerca sui materiali e una ingegnerizzazione di macchina (giunta alla quarta generazione); i parametri chiave del successo sono: un accurato percorso di stampa, la composizione del materiale di costruzione (dimensione delle particelle, ecc), la temperatura del processo, le rampe termiche e l’atmosfera di
sinterizzazione e il controllo complessivo.

Conveniente, sicuro e facile da usare

Markforged “Metal X” è significativamente più economico e semplice da usare, grazie a costi di acquisizione e di gestione molto inferiori rispetto a tutti gli altri tipi di stampanti 3D in metallo (175.000 euro a prezzi di listino “chiavi in mano” compreso 3 anni di garanzia, ovvero dalle 3 alle 10 volte meno della concorrenza); al sistema bastano adeguamenti logistici minimi per essere installato, nessun dispositivo speciale di funzionamento (gestione delle polveri e operatori dedicati). In combinata con il software (“EIGER”, incluso nel prezzo senza fee di rinnovo annuale), si può gestire l’intero flusso di manifattura digitale in modo agile, integrato e sicuro: dalla preventivazione del lavoro alla stampa sino ai post-trattamenti, per ottenere la parte desiderata senza rischi di fallimento e al meglio della resa.

LA TUA STAMPANTE DA PRODUZIONE. ORA

“Metal X” è la soluzione di manifattura additiva in metallo da produzione sicura ed economica, molto più accessibile dei sistemi alternativi e molto più veloce e conveniente rispetto ai processi di fabbricazione tradizionali (fresatura dal pieno o stampaggio ad iniezione), che permette di aggiungere valore ai processi ed ai prodotti. Elimina i problemi di sicurezza del lavoro connessi alle polveri, abbatte le criticità nella rimozione dei supporti, consente nuove funzionalità – come il riempimento alveolare in celle chiuse – per ridurre il peso delle parti rispetto alle alternative; è un sistema integrato e connesso, con rilevamento degli errori da remoto e possibilità di fruizione collaborativa. Ecco lo strumento per consolidare i tuoi vantaggi competitivi, accedendo ai benefici della Fabbrica 4.0.