La produzione additiva: diventerà più di una tecnologia di nicchia?

Gli eroi del film Ocean’s 8 rubano preziosi gioielli scambiandoli con repliche stampate in 3D. Da molti anni ci siamo abituati a vedere i “Replicatori” nei film di fantascienza al cinema e in televisione, elettrodomestici in grado di generare cibo o utensili da materie prime di base. Hollywood, dunque, ha fin da subito compreso le possibilità della produzione additiva (AM); ma tuttavia, queste tecnologie hanno stentato a trovare applicazioni mainstream nella produzione del mondo reale.

Le tecnologie AM, come individuati da McKinsey, hanno potenzialmente quattro vantaggi rispetto ai metodi di produzione tradizionali.

1. La loro capacità di stampare praticamente qualsiasi forma 3D offre ai progettisti la possibilità di realizzare parti che funzionano meglio o sono meno costose rispetto alle alternative tradizionali. Ad esempio, una staffa in titanio Airbus realizzata utilizzando la produzione additiva è più leggera del 30% rispetto a quella tradizionale senza sacrificare altre prestazioni o la sua longevità.
2. Non sono necessari stampi o utensili standard, e dunque ogni parte prodotta può essere unica, consentendo la personalizzazione di massa. Vectoflow, un produttore di apparecchiature di misura, utilizza la produzione additiva per creare sonde personalizzate per le misurazioni di flusso dei fluidi. La sua tecnologia di sinterizzazione microlaser consente di progettare piccoli e complessi sensori dalle forme aerodinamiche in modo da avere un minor impatto sul flusso misurato. Le sonde sono realizzate con una varietà di materiali, tra cui acciaio inossidabile, titanio e diverse superleghe, a seconda dell’ambiente operativo.
3. Eliminando le lunghe attività di progettazione e fabbricazione degli utensili, lo sviluppo e la produzione del prodotto possono essere accelerati, riducendo il time-to-market. La sofisticata testa dell’iniettore di carburante del razzo Ariane 6 è costruita in modo additivo come un unico pezzo di lega a base di nichel. Le versioni precedenti di questo iniettore erano costituite da 248 componenti lavorati separatamente e poi saldati insieme.
4. Consentendo la produzione on-demand di oggetti dai file digitali, AM facilita la manutenzione e il supporto del prodotto sul campo, diminuendo la necessità di scorte di pezzi di ricambio. Mercedes-Benz, ad esempio, sta attualmente utilizzando AM per produrre componenti di ricambio per le sue auto storiche.

La tecnologia di Additive Manufacturing ha 40 anni

Nel 2020, a 40 anni dallo sviluppo delle prime stampanti commerciali, un’analisi del settore AM ha rilevato l’affermarsi di un’industria da 13,4 miliardi di euro con un tasso di crescita annuo del 22%. Un settore che resta molto dinamico, con oltre 200 attori che sono impeganti a sviluppare nuovo hardware, software e materiali.

Le prestazioni delle tecnologie AM stanno rapidamente migliorando. Molti dei limiti delle stampanti delle precedenti generazioni sono stati superati, come la capacità di produrre parti sporgenti senza l’uso di elaborate strutture di supporto o la capacità di creare parti più resistenti controllando l’allineamento dei rinforzi in fibra attraverso l’utilizzo di campi magnetici. Anche il numero di materiali disponibili per i sistemi AM è in continua crescita, e adesso include leghe di alluminio ad alta resistenza e polimeri di qualità medicale.

I sistemi AM stanno diventando più veloci. Per accelerare la produzione di parti, i recenti sistemi basati sulla sinterizzazione laser selettiva (SLS) utilizzano fino a un milione di diodi laser. Miglioramenti nel software e nelle tecnologie di post-elaborazione stanno riducendo il tempo necessario per passare dall’idea al componente finito.

In molti settori AM ha guadagnato ampio riconoscimento come l’approccio più rapido ed economico per la creazione di prototipi durante lo sviluppo e il test del prodotto. Le tecnologie AM vengono spesso utilizzate anche in un numero crescente di applicazioni “indirette”, quali la creazione di utensili, di pezzi di ricambio e di accessori per le macchine di produzione tradizionali.

Perchè AM non si è ancora pienamente affermata?

Nonostante il fatto che diverse aziende abbiano sperimentato l’utilizzo dell’AM per la fabbricazione diretta di articoli finali, l’adozione di questa tecnologia su larga scala sembra ancora lontana. Secondo McKinsey, esistono quattro principali ostacoli all’uso diffuso dell’AM:

1. Hardware. Il limitato volume di costruzione e la insufficiente velocità della maggior parte delle macchine AM, limitano la gamma di applicazioni immaginabili. Anche l’integrazione di tali tecnologie nelle procedure di produzione si è rivelata difficile. Un utente, per riuscire a creare una cella di produzione AM industriale, dovrà verosimilmente integrare apparecchiature di produzione, post-elaborazione e movimentazione dei materiali di diversi produttori.
2. Software. Le apparecchiature AM utilizzano spesso software di controllo specifici del fornitore, che presentano un’integrazione minima con le macchine dell’intero impianto e con i sistemi di controllo della produzione. È difficil, inoltre, trovare la soluzione tecnologica e il know-how necessari per ottenere una qualità costante e un output affidabile.
3. Materiali. Oggi, anche i comuni materiali tecnologici sono significativamente più costosi se acquistati in una forma che può essere elaborata utilizzando apparecchiature AM. I polimeri, ad esempio, devono essere progettati specificamente per le macchine AM, che è una procedura lunga e difficile. La lavorazione aggiuntiva necessaria per trasformare le leghe metalliche in uno stato di polvere appropriato per le macchine AM, aumenta notevolmente i loro costi. Inoltre, tra i materiali in uso per l’AM, in particolare polimeri, pochi sono stati certificati per le applicazioni più critiche.
4. Servizi. I fornitori di apparecchiature, secondo gli utilizzatori industriali, non forniscono attualmente un elevato livello di supporto tecnico al di là di quello necessario per installare e attivare l’apparecchiatura. Gli utenti desiderano una maggiore assistenza su questioni più complesse come migliorare i progetti dei componenti per adattarsi a specifici processi di produzione o capire come aumentare la qualità, l’affidabilità e la produttività delle macchine una volta che sono in produzione.

Esiste poi una motivazione di base: i produttori non comprendono come la produzione additiva li possa aiutare. Infatti, le possibilità dei sistemi AM e come progettare per AM, sono solitamente tecniche poco conosciute ai progettisti. Quella che ancora non si è diffusa è la comprensione del fatto che raramente la modifica di un componente esistente, da un metodo di produzione tradizionale a un processo AM, è raramente conveniente. I vantaggi invece derivano dall’utilizzo delle funzionalità specifiche di AM, come la capacità di combinare numerose funzionalità in un singolo componente: questo può ridurre al minimo il numero complessivo di parti in un assieme ed eliminare la necessità di ulteriori fasi di fabbricazione o processo.

Il futuro di AM

Oggi, l’utente finale subisce tutti i rischi associati a un’installazione AM su scala industriale. E questi ostacoli rendono estremamente impegnativo lo sviluppo di un business case di produzione diretta utilizzando la tecnologia AM. La sfida per l’intero settore sarà contribuire al superamento di questi rischi. Ad esempio, i produttori delle macchine AM potrebbero ulteriormente migliorare la velocità, l’automazione end-to-end e l’integrazione con i sistemi di produzione esistenti; i fornitori di materiali, invece, potrebbero affrontare i problemi di certificazione, disponibilità e costi.

Tuttavia, i produttori ambiziosi non devono aspettare che il settore della produzione additiva faccia tutto il lavoro. Nonostante i limiti, alcuni utenti industriali hanno fatto grandi progressi nella produzione diretta utilizzando AM, acquisendo così conoscenze e capacità che saranno loro utili man mano che l’industria maturerà.