Le prime due tecnologie abilitanti

L’additive manufacturing è tra le nuove tecnologie più dirompenti in ambito industriale, viene anche chiamata stampa 3D o fabbricazione additiva.

Storicamente la produzione è sempre avvenuta per sottrazione di materiale, mentre nella fabbricazione additiva la produzione avviene per aggiunta di materiale strato dopo strato.

Una definizione di stampa 3D è la seguente: “un processo di unione dei materiali per realizzare da modelli 3D. generalmente strato su strato, in opposizione alla manifattura sottrattiva”.

Le tecniche di stampa 3D sono ormai molte e permettono di stampare differenti materiali ma sostanzialmente tutte si basano sul realizzare in successione sottili strati di sezioni trasversali dell’oggetto partendo da un disegno CAD.  Per tutte le tecniche gli step produttivi sono otto:

1.  Realizzazione di un modello software dell’oggetto da produrre, è possibile realizzarlo con l’uso di un software CAD o tramite tecniche di Reverse Engineering

2. Conversione a STL (Solid to Layer) sebbene non sia uno standard riconosciuto lo è diventato “di fatto” quasi tutti i sistemi CAD possono produrre file con questo formato e quasi tutte le macchine di stampa 3D lo utilizzano. In un file STL la superficie del solido è stata discretizzata in triangoli, è un elenco di coordinate (X,Y,Z) dei vertici di ogni triangolo con l’aggiunta di un vettore che definisce la normale alla superficie.

3. Trasferimento alla macchina, il file viene inviato alla macchina che produrrà il pezzo. È possibile effettuare manipolazioni sul file ad esempio riguardo alla dimensione, posizione, orientamento.

4. Slicing e setup: è la parte piiù delicata in cui, tramite lo slicing, il modello viene diviso in sottili strati e viene creato il file G-code. L’orientamento del pezzo è fondamentale sia per la velocità di produzione dello stesso, sia per la qualità finale del prodotto. Lo slicing può essere uniforme (spessore costante) o adattivo (lo spessore varia in funzione della curvatura).

5. Costruzione, la macchina, che di norma necessità di una supervisione minima, realizza il pezzo.

6. Rimozione, i pezzi o i prodotti vengono rimossi dalla macchina.

7. Post processing, in linea di massima consiste nella rimozione dei supporti, operazione che può essere delicata in quanto i prodotti o i pezzi possono essere molto delicati

8. Finitura e applicazione, le fabbricazioni realizzate con metodi additivi necessitano quasi tutte di interventi di post processing quali la pulitura, lucidatura, placcatura…

La fabbricazione additiva desta molta curiosità e interesse per diversi fattori tra cui possiamo indicare: personalizzazione di massa, forme realizzabili e sostenibilità.

I clienti richiedono sempre più spesso prodotti altamente personalizzati con caratteristiche peculiari e uniche, questo è un problema per le tecniche di produzione classica i cui costi per produzione di lotti composti da pochi pezzi sono inaccessibili. Per rimanere competitivi su un mercato mutevole che richiede una elevata personalizzazione e qualità, il poter produrre piccolissimi lotti (addirittura unitari) a prezzi contenuti se non paragonabili a quelli su larga scala sarà un fattore chiave per il vantaggio competitivo nel futuro data anche la riduzione dei volumi di vendita.  Con la produzione additiva questo è possibile, anche se spesso diventa complicato stabilire le soglie di convenienza rispetto alla produzione classica.

Assieme alla possibile personalizzazione la stampa 3D porta con sé un altro enorme vantaggio, con essa è possibile realizzare forme geometriche complesse a piacere. In questo il vantaggio è duplice rispetto alla produzione classica poiché non tutte le forme geometriche sono realizzabili con la manifattura sottrattiva e non vi è un aumento dei costi all’aumentare della complessità geometrica se si lavora con la stampa 3D.

Non solo è possibile aumentare il livello di customizzazione del prodotto ma dovrebbe anche essere possibile accorciare i tempi tra la richiesta di un prodotto e la sua realizzazione e rendere fattibile il make-to-order. Non è difficile, infatti, realizzare un database di varie configurazioni possibili (anche lasciando una certa libertà di “assemblaggio) disponibili per la scelta da parte di un utente e iniziare rapidamente la produzione del pezzo scelto. Questo, inoltre, consentirebbe anche di ridurre le dimensioni e i costi di magazzino, i rischi associati a una non-vendita di prodotto, ridurre i costi di inventario e di avere migliori flussi di cassa (il prodotto è pagato totalmente o parzialmente prima della sua realizzazione o addirittura prima dell’acquisto dei materiali).

La complessità geometrica non riguarda solo l’estetica e la totale libertà di progettazione di un pezzo ma anche le sue funzionalità e prestazioni. È possibile realizzare agilmente parti cave (ottenendo, ad esempio, un miglior scorrimento dei fluidi in un motore), realizzare parti leggere (introducendo dei vuoti nelle zone prive di carico si parla in questo caso di ottimizzazione topologica), realizzare un unico componente invece di assemblare più componenti e in alcuni è anche possibile ottenere proprietà meccaniche migliori.

Per avere un’idea delle possibili complessità riproducibili con queste tecniche basta pensare che è molto semplice realizzare un teschio umano ed è stato possibile riprodurre tramite l’utilizzo di una tomografia computerizzata seguita da una ricostruzione 3D dei bronchi che sono stati utilizzati per studiare il comportamento dei fluidi nel corpo umano. Inoltre tutte queste realizzazioni sono state eseguite in un solo step, realizzando un pezzo unico e non necessitando quindi di realizzare più parti e in seguito assemblarle.

La stampa 3D è anche interessante in ottica di sostenibilità a questo proposito vengono identificati tre fattori principali:

1.  Un miglior utilizzo delle risorse a disposizione, in quanto gli scarti sono inferiori e più facilmente riutilizzabili;

2.  Estensione del ciclo di vita del prodotto, questo è possibile tramite processi di riparazione, rigenerazione e ristrutturazione che diventano più agevoli e economicamente convenienti. Questo inoltre permette di avvicinare maggiormente cliente-produttore;

3. Riorganizzazione della value chain, rendendo possibili supply chain più semplici e corte, produzioni localizzate.

È interessante notare che dal punto di vista della sostenibilità, queste tecniche possono aiutare anche nella sostenibilità sociale, sembra infatti che a differenza dei lavoratori che operano nella manifattura classica coloro che lavorano in ambienti che impiegano tecniche di stampa 3D siano meno soggetti a patologie e a problemi di salute in quanto è possibile evitare in maniera più efficace l’esposizione a sostanze tossiche sul lungo termine. Sempre dal punto di vista sociale, l’utilizzo dei software di stampa 3D abilita l’utente a intervenire maggiormente sui processi produttivi, da essere solamente utenti passivi loro diventano parte attiva potendo rilasciare più facilmente feedback e portatori di modifiche ed idee.

Gli usi principali di queste tecnologie sono tre: Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing.

Il Rapid Prototyping è la realizzazione di prototipi utilizzando la fabbricazione additiva, è importante perché permette di realizzare prototipi indiretti (sono incluse solo alcune funzionalità) o identici al prodotto finale senza dover passare da una produzione “artigiana” molto costosa e dispendiosa in termini di tempo.

Il Rapid Tooling consiste nella realizzazione di strumenti di supporto (ad esempio staffe, distanziatori…), è l’uso a “minor valore aggiunto” tuttavia non è trascurabile in quanto permette di realizzare supporti su misura e in taluni di migliore le caratteristiche degli stessi (ad esempio strutture più leggere).

Il Rapid Manufacturing è la produzione del prodotto finito, pronto alla vendita, è chiaramente l’attività a più elevato valore aggiunto.

Le tecniche di stampa 3D a disposizione sono oggi molte, sono suddivise in sette famiglie:

- Vat Polymerization

- Material Extrusion

- Material Jetting

- Binder Jetting

- Power Bed Fusion

- Direct Energy Deposition

- Sheet Lamination

Ognuna delle tecniche può impiegare materiali diversi e può essere applicata in contesti differenti, alcune per fini puramente estetici altre per usi funzionali.

I materiali disponibili sono diversi e si suddividono nelle seguenti categorie: polimerici, metallici, ceramici, compositi.

I materiali polimerici si dividono ulteriormente in fotopolimeri, termoplastici a basso punto di fusione e termoplastici definitivi. Sono la famiglia di materiali con la più scelta e hanno proprietà (fisiche, meccaniche, biocompatibilità, colore…) molto differenti tra loro. Sono le meno costose sia a livello di attrezzatura che a livello di acquisto del materiale.

In questa categoria rientrano:

- PLA: materiale molto flessibile che deriva dall’amido, è eco-friendly e ha buone caratteristiche meccaniche

- ABS: ha ottime proprietà meccaniche, molto resistente al graffio ed è molto rigido

- Nylon: ha buone proprietà meccaniche, si salda benissimo su se stesso (il che rende meno visibili i layers), è molto sensibile all’umidità

- HDPE: è impiegato nel settore alimentare e chimico, è completamente atossico, è in grado di resistere agli agenti chimici e ha un basso assorbimento d’acqua

- PVA: è il materiale di supporto solubile per eccellenza, tende a degradarsi se non conservato in un luogo asciutto ed è abbastanza complesso da estrudere.

I materiali metallici hanno prestazioni nettamente superiori ed elevate proprietà meccaniche, tuttavia sono costosi e sono costose anche le attrezzature e i processi di stampa. Tra i materiali metallici più impiegati troviamo:

- Alluminio: è un ottimo compromesso tra capacità termiche e peso, ha una buona resistenza e permette molte post-elaborazioni

- Cobalto – Cromo: le proprietà termiche e meccaniche sono elevatisssime e migliorano con l’aumentare della temperatura fino ai 600 gradi centigradi, inoltre ha una pttima resistenza alla corrosione

- Nichel: resiste fino a 1200 gradi centigradi e ha ottime resistenze meccaniche e all’ossidazione

- Titanio: ha una bassa densità, notevoli proprietà meccaniche, resiste alla corrosione ha una fantastica biocompatibilità. È l’ideale per applicazione biomediche.

I materiali compositi possono essere di due differenti tipi:

- A fibre non continue corte: sono presenti fibre di carbonio non più lunghe di un millimetro in sospensione in una base termoplastica, il materiale risulta più resistente e con proprietà meccaniche superiore. La distribuzione delle fibre nel materiale non è uniforme.

- A fibre continue: la fibra corre ininterrottamente nella parte, le fibre conferiscono resistenza direzionale al materiale.   In questo modo il materiale offre migliori prestazioni in termini di tensione, quindi è di fondamentale importanza eseguire la stampa tenendo conto delle condizioni di carico. Si utilizza un ugello dedicato per estrudere la fibra di carbonio.

I settori di impiego della stampa 3D sono molteplici, si citano: ingegneria spaziale e aeronautica, arte e cultura, abbigliamento, oggettistica e artigianato, arredamento, architettura, automotive, medicina, armamenti.