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GUIDA ALL’ACQUISTO DI STAMPANTI 3D IN PLASTICA DA PRODUZIONE

Come scegliere il sistema più adatto alle proprie esigenze

> Opportunità della manifattura additiva da produzione > Tecnologie e materiali > Applicazioni notevoli > Calcolo del ROI > I vantaggi dei sistemi Markforged

1. Introduzione

Questa guida intende aiutare all’orientamento chi sta valutando di investire in una stampante 3D da produzione, cioè in una tecnologia di manifattura additiva in plastica adatta ad applicazioni industriali (dove conta precisione, raffinatezza e resistenza dei pezzi, evoluzione del software e affidabilità della macchina). Sul mercato esistono diverse opzioni ma spesso la scelta di acquisto avviene senza una valutazione approfondita dei vantaggi e degli svantaggi di ognuna, non focalizzando l’indagine su specifiche applicazioni cui la stampante è destinata: prototipazione, produzione da uso intermedio (attrezzature, utensili, posaggi, mascheraggi, dime) o produzione da uso finale (componenti, ricambi).

2. Cosa sono le stampanti 3D

Le stampanti 3D sono macchine che realizzano oggetti solidi, replicando un disegno CAD; sono dotate di un proprio software che provvede a gestire il file tridimensionale fornito, “affettandolo” quindi ricostruendolo automaticamente strato su strato. E’ processo idealmente contrario della fresatura: invece di partire dal pieno ed eliminare le parti in eccesso, qui si parte dal vuoto e si va ad aggiungere il materiale (“manifattura additiva”) dove serve. I processi tradizionali di fresatura o di stampo ad iniezione hanno costi/tempi di produzione notevoli oltre ad alcuni limiti geometrici mentre la stampa 3D, in generale, no; così la manifattura additiva è potenzialmente più rapida e più economica nella realizzazione di singoli pezzi o di piccole tirature come più capace di costruire forme complesse.

3. Luoghi comuni (da sfatare) sulle stampanti 3D industriali

Sebbene abbia ormai alle spalle una storia quarantennale, la manifattura additiva è ancora circondata da disinformazione, da distorsioni o esagerazioni (a volte anche cavalcate in modo interessato dagli stessi addetti ai lavori): generalmente si pensa che i pezzi stampati in 3D siano necessariamente siano fragili e grossolani, adatti solo a giochini amatoriali, modelli concettuali o semmai a prototipi di bassa funzionalità. In realtà, grazie agli sviluppi delle tecnologie e dei materiali oggi si dispone di una gamma di soluzioni anche di grande resistenza e raffinatezza, adatte a molte applicazioni nei vari settori; così, nonostante i pregiudizi, la stampa 3D è uno dei principali fattori abilitanti della “Quarta rivoluzione industriale” in corso, una straordinaria opportunità per aggiungere efficienza e valore alla proposta aziendale. Allora vediamo iniziamo a fare un po’ di chiarezza su alcuni di questi equivoci…

Equivoco 1: fragilità dei materiali

I materiali di stampa 3D sono “da produzione”?

L’idea che si possano stampare in 3D pezzi plastici
esteticamente e meccanicamente scadenti è solo una
generalizzazione, fondata semmai su alcuni modelli entry-level .
In realtà le stampanti 3D di qualità professionale ci sono sempre
state anzi sono la quota più importante del mercato, solo che
sono più costose e quindi numericamente meno diffuse; quelle
consumer invece di tipo amatoriale (“a filo”, apparse dopo il
2000) sono in effetti approssimative nella capacità realizzativa.
Negli ultimi anni, grazie a produttori più competitivi, sono
arrivate tecnologie e materiali di nuova generazione più
performanti capaci di stampare parti precise, raffinate, stabili
e resistenti
in modo molto più economico di prima. Così la
manifattura additiva continua a crescere: si usa per la
prototipazione ma anche per la produzione, di pezzi sia da uso
intermedio sia da uso finale (tooling, posaggi, dime, componenti,
ricambi); inoltre si usa nel metal-replacement, cioè la
sostituzione con pezzi in materiali plastici caricati carbonio (più
leggeri e sostenibili) di analoghi altrimenti ottenuti dal pieno (in
alluminio o altri metalli).

Equivoco 2: complessità operativa

E’ difficile usare le stampanti 3D da produzione?

Le stampanti 3D da produzione classiche sono sistemi
impegnativi: macchine e flussi di lavoro strutturati, competenze
di utilizzo specifiche, programmi complessi (competenze di
orientamento e posizionamento della parte, generazione dei
supporti, scelta dei parametri, ecc), consumabili costosi. Invece i
sistemi di nuova generazione garantiscono insieme
performance, facilità e sostenibilità
, una inedita qualità senza
compromessi. Così le manifattura additiva industriale smette di
essere patrimonio esclusivo di grandi aziende o di realtà
d’avanguardia e si diffonde ormai come normale strumento di
lavoro nelle officine e nelle fabbriche di tutti i tipi

Equivoco 3: alti costi di acquisto e gestione

Le stampanti 3D industriali sono inaccessibili?

Alcuni sistemi di manifattura additiva da produzione con
tecnologie di vecchia generazione, sono effettivamente
costosi. Ma sul mercato ormai esistono stampanti 3D di
grado industriale a partire da poche migliaia di euro
“chiavi in
mano”, quindi clamorosamente più sostenibili che in passato.

Equivoco 4: stampa 3D ad alta tiratura

La manifattura additiva sostituisce in toto quella tradizionale?

Anche se la stampa 3D continua a consolidarsi
nell’industria, le sue caratteristiche tipiche la rendono
competitiva solo in certe situazioni: per applicazioni di
notevole complessità geometrica (altrimenti raggiungibili
con lavorazioni successive) o di singola/piccola tiratura
dove si ci sia un risparmio tempo/costo di produzione; non
certo – non entro i prossimi anni, perlomeno – nei casi di
produzione di volumi elevati. Inoltre la stampa 3D ha ancora
criticità in manufatti per ambiti normati, perché i processi
additivi non si riconducono a quelli standard. Insomma la
manifattura additiva non è ancora produttiva o conveniente o
certificata per sostituire del tutto quella tradizionale; rimane
una ottima alternativa o integrazione.

In attesa di evoluzioni future, con la stampa 3D si possono
già cogliere grandi opportunità: per esempio ottenere tooling,
maschere, cornici ed altri supporti da usare in fabbrica
che altrimenti si otterrebbero distogliendo risorse – personale
e macchine – destinate a produzioni più redditizie. Stampare
in 3D componenti da uso interno o ricambi resistenti e
precisi evita sprechi e rende più reattivi; così ripensare
l’approvvigionamento di utensili, dispositivi di fissaggio
(soprattutto se personalizzati e in poche unità) diventa una
fonte di vantaggio competitivo.

4. Stampanti 3D e ritorno dell’investimento 

L’acquisizione di un sistema di stampa 3D industriale può permettere all’azienda di ridurre drasticamente i costi e i tempi dei prodotti e dei processi di produzione, anche di aggiungere valore in termini di complessità; ma, trattandosi di un tipologia di cespite relativamente recente e anomalo, può sfuggire alla classificazione tradizionale e indurre a imputazioni come innovazione a fondo perduto, trascurando la sua effettiva correlazione alle attività di produzione correnti ed alle voci in conto capitale. Per fare un esempio concreto, confronteremo qui di seguito una commessa eseguita da lavorazione interna e la stessa ottenuta da fornitore esterno – cioè le solite, diciamo – con l’ipotesi che venga invece realizzata in 3D con una stampante propria; così dimostrando come stampa 3D si possa inserire effettivamente nei processi di produzione e come possa essere calcolato il connesso ritorno dell’investimento (ROI).

CALCOLO DEL ROI

>Lavorazione tradizionale interna.

Ottenere un pezzo da
lavorazione interna comporta la spesa di denaro dovuta per le
attrezzature e i materiali utilizzati nonché per il lavoro
dell’operatore (macchinista) dedicato. Ipotizzando una paga di
70 €/ora e 5 ore per impostare e programmare (CAM) il
percorso del centro lavoro , il costo totale per un solo pezzo
risulta intorno ai 350 euro (+ costo dei materiali e delle possibili
revisioni successive).

>Invio a un fornitore esterno.

Ordinare un pezzo da terzi
evita di impiegare le risorse interne ma implica di aggiungere
al costo industriale necessario a costruire la parte anche il
mark-up applicato dal fornitore per il servizio svolto, oltre alle
spese di gestione amministrativa e di spedizione (450 euro
circa); senza considerare il rischio della circolazione di
informazioni industriali sensibili e riservate. Ogni modifica
può risultare ogni volta molto impegnativa.

>Stampa 3D interna

La stampa 3D di un pezzo all’interno implica il costo una tantum della macchina (quota ammortamento) e
i costi correnti di gestione; non servono operatori specializzati o supervisione durante l’esercizio, che in certi casi è possibile
anche monitorare da remoto. Quante parti sono necessarie per compensare l’investimento in una stampante 3D? Ipotizzando
che si tratti del modello “X7” di Markforged (70.000 € circa) e di realizzare 3 tipi di pezzi (pinze di presa, posaggio, dispositivo di
saldatura) per le parti di riferimento, prendendo i costi del metodo di produzione tradizionale in confronto a quelli della
manifattura additiva si ottiene la misura dell’eventuale risparmio; dividendo il prezzo della stampante per il risparmio si
determina quanti pezzi sono necessari per compensare l’acquisto della stampante. Dalla tabella sottostante emerge che
bastano 55 attrezzature l’anno per ripagarsi una “X7”, meno di 20 una “Mark Two”.


ESEMPIO DI CALCOLO DEL ROI

 TradizionaleStampa 3DRisparmio
1 pinza di presa290 € 9 € 281 €
1 posaggio1.590 €330 €1.260 €
1 dispositivo di saldatura800 €10 €790 €

IMPATTO AZIENDALE

A voler ben considerare, i vantaggi portati all’azienda dall’introduzione della manifattura additiva si possono anche estendere oltre la “semplice” riduzione dei costi e la sostenibilità dell’investimento, perché impatta anche su alcuni valori intangibili. Ecco alcuni altri elementi da tenere presenti nella valutazione dell’investimento:

  • Flessibilità di progettazione: realizzare pezzi
    complessi, difficili o impossibili in altro modo.
  • Risparmio di tempo: una stampante 3D lavora
    24/7, automaticamente; vale per te?
  • Personalizzazione: gestire modifiche di progetto
    anche multiple è sempre facile veloce.
  • Abbattimento dei fermo macchina: realizzare
    manutenzioni e ricambi on-demand in prossimità

5. Tecnologie e materiali di stampa 3D in plastica

La manifattura additiva non è una modalità unica di costruzione: è una definizione che raccoglie molte diverse tecnologie e materiali, ognuna con vantaggi e svantaggi, da scegliere non perché “migliori” o “peggiori” in assoluto ma perché più o meno adatte alle proprie specifiche esiegenze. Ecco una panoramica orientativa….

  • 5a) TERMOPLASTICI: I termoplastici sono i materiali più comuni in manifattura additiva. I processi di costruzione comportano il loro riscaldamento fino quasi alla temperatura di fusione, per poi venire modellati in una nuova forma quindi la solidificati per raffreddamento. Si tratta di plastiche con una certa funzionalità ma non molto affidabile in quanto tendono a deformarsi, hanno bassa resistenza alla temperatura, all’abrasione ed agli agenti chimici.

ESTRUSIONE (“FFF” / “FDM”, fabbricazione a filamento fuso)

Come funziona. Si tratta della tecnologia di stampa 3D più
diffusa: il materiale termoplastico – originariamente in forma
di filo arrotolato in bobina – viene portato alla testa di
stampa dove è riscaldato ed estruso tramite un ugello; i
supporti di costruzione (sacrificali, da rimuovere a mano)
sono in forma di astine. La deposizione del materiale
avviene con un movimento trasversale al piano di stampa,
strato su strato, fino al completamento del modello; il
riempimento interno di solito è a “nido d’ape”.

SINTERIZZAZIONE (“SLS”, sinterizzazione laser selettiva)

Come funziona: Si tratta della tecnologia di stampa 3D
“regina” nei service-boureau terzi:sti in questo processo il
materiale di costruzione è inizialmente in forma di polvere,
portato in strati su un piano di lavoro in camera
chiusa (e atmosfera modificata) dove viene solidificata
tramite l’opportuno passaggio di un laser ad alta
potenza (tipo CO2); la polvere non solidificata funge da
supporto (in parte riciclata per lavori successivi). Sono
accessibili materiali tecnici e ad alta resistenza.

Sinterizzazione 2.0 e variante jetfusion (“MJF”)

Nuovi operatori apparsi sul mercato – come il marchio
svizzero SINTRATEC e altri – propongono soluzioni evolute di
SLS, più semplici da usare e più economiche nei costi di
proprietà e gestione; questi sistemi hanno laser di tipo “fibra”
invece che “CO2”, con le conseguenze tecniche che esso
comporta: processo senza impianti gas accessori, minor
spreco di polvere e migliore coerenza/densità dei pezzi.
Un altro new-comer propone una variante basata sul getto di
agenti di fusione con passaggio di una testa sulla polvere
invece del laser; questo sistema è molto impegnativo
nell’utilizzo ma veloce nel realizzare pezzi in lotti


  • 5b) FOTOPOLIMERI: Le resine liquide fotopolimeriche sono sensibili alle fonti luminose, così vengono sfruttate nella stampa 3D in processi di solidificazione tramite raggi UV. A differenza dei materiali termoplastici, i fotopolimeri non sono fusi piuttosto “uniti” in una specie di incollaggio chimico; ma – come i primi – rimangono fragili alle sollecitazioni meccaniche e al degrado nel tempo.

STEREOLITOGRAFIA (“SLA”, Stereo Lithography apparatus)

Come funziona: E’ la prima tecnologia di stampa 3D della
storia, regina dei modelli estetici o in pre-serie grazie alla
grande capacità di dettaglio e raffinatezza superficiale. In
questo processo il piano di lavoro va a prendersi una
bagnatura di resina liquida in una vaschetta e la polimerizza
selettivamente tramite il passaggio di un laser* layer dopo
layer; i supporti di costruzione sacrificali sono realizzati nello
stesso modo, e vanno rimossi manualmente. Le parti
stampate sono completamente dense e isotropiche; le
macchine possono raggiungere volumi di costruzione anche
notevoli.

La variante a luce processata (“DLP”)

Come funziona: E’ una variante della Stereolitografia, in cui la
solidificazione delle resine liquide avviene tramite raggi UV
provenienti da un proiettore (invece che da un laser). In
questo processo il fascio di luce solidifica nello stesso
momento tutti i punti appartenenti allo stesso strato, così è
più veloce nella fase di costruzione sebbene a costo di una
definizione superficiale leggermente inferiore rispetto alla
“sorella” SLA; anche qui i supporti di costruzione sacrificali
vanno rimossi a mano e le parti risultano completamente
dense/isotropiche. La disponibilità di resine dedicate e
macchine entry-level rende diffusa in odontoiatria e gioielleria.

Il getto di resina (“MJP” e “PJ”)

Come funziona: In questo processo la plastica liquida è
depositata selettivamente sul piano di lavoro tramite il
movimento trasversale di una testa dotata di micro ugelli,
quindi solificata grazie al contemporaneo flash di una
lampada UV; i supporti sono costruiti con un secondo
materiale (poi fondibile o solubile in successiva fase di
rimozione). In questo modo modo la velocità di stampa diventa
più produttiva all’aumentare dei pezzi disposti sul piano; per
contro c’è un alto consumo di materiale di supporto (deposto in
tutta la proiezione verticale di sottosquadro, non solo in alcune
impalcature) ma più libertà geometrica perché è rimovibile
anche dove altri sistemi potrebbero fallire.

Le varianti “MICRO” e “FAST”

Alcune recenti varianti del processo di fotopolimerizzazione
hanno sviluppato sistemi di stampa 3D evoluti sulla capacità
di miniaturizzazione in scala di micron (tecnologia “PμSL” di BMF)
o su quella della velocità produttiva (tecnologia “LSPc”)’,
Queste proposte rispondono in modo nuovo alle specifiche
esigenze di manifattura additiva in nicchie di mercato
(microfluidica, medicale, produzione di medie tirature)


  • 5c) COMPOSITI: I materiali compositi sono importanti per le loro proprietà meccaniche, capaci di un elevato rapporto resistenza/peso quindi adatti in settori come l’automotive e l’aerospaziale o dove conti l’alta prestazione. I recenti sviluppi nelle tecnologie di stampa 3D li hanno resi disponibili per applicazioni ingegneristiche dove i metodi tradizionali non sarebbero sufficienti o efficienti; così si possono sostituire (metal replacement) quelle parti normalmente ottenute in alluminio dal pieno, combinando la resistenza del metallo con la versatilità della manifattura additiva.

ESTRUSIONE (“FFF” / “FDM”, fabbricazione a filamento fuso)

Come funziona: Questo sistema è lo stesso in uso per i
termoplastici solo che qui è adattato all’utilizzo di
materiali composti, normalmente a base PLA o PA
(nylon) miscelati (“caricati”) con fibre tritate (“corte”) di un
materiale di rinforzo (di solito carbonio) che migliorano le
proprietà meccaniche del modello

DEPOSIZIONE CONTINUA (“CFF”, rinforzo a fibra lunga)

Come funziona: Questo brevetto esclusivo Markforged
permette di rinforzare pezzi in materiale composito a fibra
“lunga”, attraverso un secondo specifico estrusore che nel
caso depone ulteriore fibra (Carbonio, Kevlar, vetro, vetro
high-temp) a quella del materiale (matrice) estruso dal
primo. Siccome per la prima volta si possono stampare in
3D, quindi velocemente ed economicamente,
tecnopolimeri con proprietà meccaniche straordinarie, si
aprono applicazioni inedite per la manifattura additiva in
plastica come la costruzione di utensili di lavorazione,
attrezzi in uso sulla linea di fabbricazione e componenti
da uso finale (personalizzati e on-demand).


6. Casi studio: quando la stampa 3D risulta vincente

7. Come scegliere la “giusta” soluzione di manifattura additiva?

Chi avvia l’indagine sulla stampante 3D industriale più adatta alla propria azienda si trova di fronte ad una giungla di marchi, modelli, tecnologie, acronimi, prezzi civetta e venditori interessati a spingere i propri prodotti. Come per qualsiasi altra tecnologia, anche qui si tratta di individuare vantaggi e svantaggi – pro e contro – e fare una scelta di compromesso ponderata rispetto a specifiche esigenze; per questo quando si compra una stampante 3D è importante essere più coscienti possibile del passo che si sta compiendo. Ecco alcune domande utili…

Valutazione delle stampanti 3D:

1) Quali sono le crisi/sfide produttive aziendali? In cosa la stampante 3D porterebbe più valore?

1a) Sviluppo prodotto? Quali geometrie, quanti pezzi, con quale frequenza?

1b) Produzione da uso intermedio? Quale resistenza è necessaria? Si possono sostituire i materiali con alternativi?

1c) Produzione da uso finale? Quale raffinatezza , precisione e stabilità servono? La personalizzazione è un valore?

2) Quanto costa l’attuale esternalizzazione o lavorazione interna dei pezzi? Quanto costa distrarre le macchine tradizionali e il personale addetto destinandole a pezzi non redditizi?
3) Vi sono particolari restrizioni o certificazioni richieste per i materiali di stampa in 3D?
4) Vengono rispettate le scadenze di consegna? Quanto è importante ridurre il tempo delle lavorazioni?
5) L’azienda perde fatturato rinunciando alla produzione di pezzi singoli o piccoli lotti?

Valutazione dei produttori e dei fornitori di stampanti 3D:

1) Cosa rende unica la tecnologia di questa azienda? Detiene brevetti Sviluppa in proprio hardware, software e materiali?
2) Quali sono i requisiti reali di funzionamento (competenze, impianti accessori, salute, sicurezza, consumo)?
3) Quanto è complesso rimuovere i supporti di costruzione??
4) Quanto è complesso il processo di configurazione delle preferenze e di lancio della stampa 3D?
5) In che modo il sistema garantisce il controllo e la qualità di stampa?
6) Quanto è affidabile il sistema? Quanto costa la manutenzione? Chi la svolge e quanto è competente?
7) Quanto è versatile il sistema? Quanto è possibile scegliere opzioni realizzative di costruzione e di materiale?
8) Il sistema è interconnesso? E’ pronto per beneficiare delle opportunità di Fabbrica 4.0?
9) Quanta esperienza e reputazione può vantare il rivenditore sul mercato?
10) L’operatore delle stampanti in azienda che tipo di formazione/competenza deve avere? Chi e dove può usare il sistema?
11) Durante l’indagine è stata offerta la consulenza preliminare, campionatura personalizzata e dimostrazione operativa?
12) La stampante è fornita del proprio software? E’ venduta “chiavi in mano”? Ha estensioni e rafforzamenti della garanzia?

CONTATTACI…