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.3D Printing - Additive manufacturing

Additive manufacturing: cos'è e come funziona la stampa 3d

ESPERTO RISPONDE - Che cos'è la Stampa 3D, per quale ragione si parla di manifattura additiva, e come è possibile realizzare, in un unico processo di stampa, oggetti che tradizionalmente sono realizzati in diversi componenti singoli

Secondo Wikipedia l’additive manufacturing è:

“un sistema per generare oggetti tridimensionali basato sulla creazione di un modello trasversale dell’oggetto da costituire, sulla superficie di un medium fluido capace di alterare il suo stato fisico in risposta a stimoli sinergici quali radiazione incidente, bombardamento di particelle o reazioni chimiche, in lamine adiacenti che rappresentano le sezioni trasversali adiacenti successive dell’oggetto che si integrano tra loro, provvedendo ad una progressiva crescita per apposizione dell’oggetto desiderato, per cui un oggetto è creato da una superficie sostanzialmente planare del medium fluido durante il processo di formazione.”

Additive Manufacturing e Stampa 3D: una nuova rivoluzione

La stampa 3D è ad oggi, nell’ambito di Industry 4.0, la tecnologia digitale più dirompente, in grado (potenzialmente) di stravolgere i tradizionali paradigmi produttivi. Si tratta di una vera e propria rivoluzione, visto che la produzione non avviene più per asportazione di materiale dal pieno, bensì si parte da un modello 3D (virtuale) e poi si “stampa” strato dopo strato, esattamente (o quasi) come accade nelle comunissime stampanti ad inchiostro che abbiamo in casa o in ufficio. Una rivoluzione poi che si aggancia e integra con i processi legati alla Smart Manufacturing e all’IoT.

Per queste ragioni, si parla (più propriamente) di Manifattura Additiva. Il processo di produzione additiva ha come input la realizzazione del modello 3D dell’oggetto (progettazione CAD), a cui segue un processo semi-automatico (svolto oramai da tutti i più diffusi software di progettazione) di conversione del file in formato STL, che prevede la scomposizione dell’oggetto in strati (layer) stampabili dalle stampanti 3D.

Figura 1 - Processo di realizzazione tramite stampa 3D

Figura 1 – Processo di realizzazione tramite stampa 3D

Infine, a valle del processo di stampa, sono (spesso, dipende dalla finalità d’uso) necessarie attività di post-produzione e finitura, per ottenere adeguati livelli di finitura e proprietà meccaniche del manufatto realizzato.

Uno degli elementi peculiari di tutte le tecnologie di stampa 3D è la possibilità di realizzare, in un unico processo di stampa, oggetti che tradizionalmente sono realizzati in diversi componenti singoli, successivamente da assemblare. A titolo esemplificativo, tramite stampanti 3D è possibile produrre oggetti che incorporano anche elementi mobili, come la chiava a pappagallo in Figura 2.

Sebbene tale tecnologia sia “sotto i riflettori” apparentemente solo da qualche anno, il primo brevetto risale addirittura agli anni 80! Ad inventarla fu Chuck Hull, tutt’oggi presidente di 3D Systems (una delle aziende leader di mercato nella produzione di stampanti in ambito industriale), che lanciò sul mercato il primo modello di stampante SLA (Stereolitografia), che tramite impressione da parte di un raggio UV permette la solidificazione di resine o fotopolimeri che andranno a comporre il prodotto desiderato.

 

Figura 2 - Chiave a pappagallo riproducibile con stampa 3D

Figura 2 – Chiave a pappagallo riproducibile con stampa 3D

 

A tutti gli effetti, c’è stato bisogno di un processo di “incubazione” di quasi 30 anni affinché la stampa 3D divenisse tecnicamente ed economicamente valida per applicazioni di interesse anche nell’industria, al di fuori della sola prototipazione rapida.

Sempre più spesso sentiamo parlare di tecnologie di fabbricazione additiva, attività che nel recente passato erano destinate esclusivamente alla produzione di prototipi. Oggi queste tecnologie sono sempre più uno strumento di produzione ma ci si chiede se siano veramente in grado di poter essere applicate ad una produzione estensiva e se questo tipo di tecnologia presenti dei limiti di applicazione. Di seguito cercheremo di affrontare la questione partendo dalla definizione di additive manufacturing.

Cos’è l’additive manufacturing (manifattura additiva)

Quando si parla di additive manufacturing o manifattura additiva si intende una tecnica di produzione che, utilizzando delle tecnologie differenti, permette di ottenere prodotti e manufatti dalla generazione e successiva addizione di successivi strati di materiale. Si tratta di una netta inversione di tendenza rispetto alle tecnologie di produzione tradizionali che partono dalla tecnica della sottrazione dal pieno, come avviene ad esempio con la fresatura o la tornitura. Grazie a questo strumento di produzione si è compiuta una digitalizzazione dell’attività manifatturiera realizzata grazie al dialogo continuo tra computer e impianti produttivi, ottenuto anche grazie allo sviluppo di internet.

Come funziona il processo di additive manufacturing

Il processo di produzione basato sull’additive manufacturing parte da un modello CAD 3D che viene controllato da un software di gestione della macchina che suddivide il modello stesso in più strati. Questi ultimi poi guiderà una stampante nel deposito o nella sintetizzazione del materiale. Non si deve pensare che ci troviamo di fronte ad una tecnologia di produzione innovativa in quanto già da diversi anni, l’additive manufacturing veniva utilizzata nella realizzazione di prototipi. Il successivo crollo del prezzo delle stampanti ha contribuito alla crescita di questa tecnica produttiva che sta conoscendo un trend davvero vertiginoso. Di questo passo si potrebbe arrivare ad una svolta epocale nell’ambito dell’industria manifatturiera.

Cenni storici sulla stampa 3d

La maggior parte delle persone ritiene che la stampa 3D e la manifattura additiva rappresentino un fenomeno relativamente recente. In realtà non è proprio così in quanto gli albori di questa tecnica di produzione si possono far risalire addirittura alla fine degli anni Settanta quando fu inventata e lanciata sul mercato la prima stampante a getto d’inchiostro.

Il primo passo verso la nuova tecnologia viene effettuato nel 1981 quando Hideo Kodama registra il brevetto della prototipazione rapida cui segue nel 1984 l’invenzione della stereolitografia (SLA) da parte di Charles Hull. Questa tecnica si basa sull’utilizzo di una sorgente di luce all’interno di una vasca di resina. L’azione della luce porta all’indurimento della resina, generando in tal modo l’oggetto in 3D, strato dopo strato.

Passano pochi anni e, nel 1989, si arriva ad un nuovo brevetto da parte di Carl Deckard che registra la SLS (Selective Laser Sintering), un processo a sinterizzazione selettiva che usa un fascio di luce laser, tra 200 e 400 KW, in una polvere di metalli, strato per strato. L’evoluzione di questa tecnica è rappresentata dalla DMLS (Direct Metal Laser Sintering), che rappresenta la migliore espressione dell’additive manufacturing di metalli, e SLM (Selective Laser Melting), con quest’ultima che essendo estramente precisa e accurata trova larga applicazione in ambito medico.

Nel frattempo viene realizzata nel 1992 la prima stampante SLA e Scott Crump inventa una rivoluzionaria tecnica di stampa 3D, la FDM (Fused Deposition Modeling). Questa si basa sull’utilizzo di un filamento, costituito da polimeri che viene riscaldato da una resistenza, e fatto passare attraverso un ugello. A questo punto avviene la solidificazione strato dopo strato dando forma all’oggetto.
In realtà lo sviluppo dell’additive manufacturing si può far risalire al 2005 quando Adrian Bowyer ha inventato la prima stampante 3D auto-replicante.

Tipologie e tecnologie di additive manufacturing

Ma quali sono le principali tipologie e tecnologie di manifattura additiva? Abbiamo già accennato ad alcuni metodi di fabbricazione dell’additive manufacturing come la SL (stereolitografia) e la FMD che rappresenta anche quella maggiormente utilzzata e diffusa tra le stampanti consumer. Scopriamo ora gli altri metodi che possono essere utilizzati:

Stampa a getto d’inchiostro

La tecnica è molto semplice e prevede che sul letto della stampante venga posto un getto di gesso o resina su cui viene gettato inchiostro e legante che solidificando strato dopo strato realizza il prodotto.

DLP – digital light processing

Questa tecnica prevede l’uso di una vasca di polimeri liquidi che viene posto all’azione della luce di un proiettore che si indurisce. La piastra esegue quindi un movimento verso il basso con il polimero di nuovo liquido e ripete successivamente la stessa operazione fino a quando non si arriva al prodotto finito.

LOM – Laminated object manufacturing

Questa tecnica si basa sull’utilizzo di carta, platica o laminati sotto forma di strati che sono incollati e tagliati, con una lama o con l’uso di un laser, fino al raggiungimento della forma desiderata.

EBM – Electron beam melting

Come dice lo stesso nome, si tratta di una fusione a fascio di elettroni. La fusione del materiale, infatti, avviene per effetto dell’azione di una fonte di energia ad alta concentrazione rappresentata da elettroni.

Circa i materiali che possono essere utilizzati nell’additive manufacturing, stiamo assistendo al loro continuo aumento tra i quali si distinguono resine acriliche e epossidiche e polimeri termoplastici.

Differenze tra stampa 3D e additive manufacturing

A questo punto sembra opportuno specificare la differenza che esiste tra additive manufacturing e stampa 3D. La prima rappresenta una tecnologia che assicura la realizzazione di oggetti tridimensionali mediante l’uso di speciali stampanti a getto di materia. La stampa 3D è invece un vero e proprio processo di produzione che permette di ottenere i prodotti.

I vantaggi per le aziende manifatturiere nell’utilizzo di additive manifacturing e stampa 3D

Sembra quasi superfluo sottolineare come l’uso delle stampanti 3D abbia generato notevoli vantaggi per le aziende manifatturiere. Quello più importante probabilmente è quello relativo all’assenza di vincoli in merito alle forme che possono essere prodotte. Il successivo deposito di sezione, strato dopo strato, assicura la creazione di forme anche non convenzionali mentre eventuali sbalzi della produzione possono essere superati utilizzando specifici supporti da rimuovere al termine della stampa.

L’uso di una stampante 3D permette anche di eliminare il problema degli scarti produttivi e questa comporta, di riflesso, anche un abbattimento significativo dei costi di produzione. Su questo tema bisogna fare necessariamente anche altre riflessioni, in quanto la diminuzione dei costi di produzione è dovuta anche ad altri elementi.

Stampando un prodotto già assemblato si riducono immediatamente i costi della manodopera che, in una filiera produttiva tradizionale, avrebbe dovuto procedere all’assemblaggio dei semilavorati. Inoltre, altro elemento da non sottovalutare, è l’eliminazione dei costi di trasporto del prodotto: quest’ultimo infatti verrà inviato in modalità telematica al cliente che procederà alla stampa 3D in totale autonomia.

Ma i vantaggi della manifattura additiva non terminano qui. Le applicazioni di additive manifacturing permettono di diminuire il cosiddetto TTM (Time to Market). Con questo acronimo si intende il tempo che intercorre tra l’ideazione del prodotto e il momento in cui sarà posto in vendita sul mercato.

Grazie a questa tecnica si arriva ad una prototipazione rapida del prodotto che, in pochi esemplari, può essere immesso sul mercato, raccogliendo feedback dei clienti, apportando le modifiche necessarie per iniziare poi successivamente la produzione su larga scala. Altri vantaggi per le aziende manifatturiere per prodotti sono rappresentati dalla flessibilità e dalla competitività.

Nel primo caso, infatti, sarà possibile creare all’interno di produzione su larga scala dei prodotti con caratteristiche personalizzate in base alle richieste del cliente senza sostenere costi aggiuntivi.

Questo comporta che un’azienda che basa la sua produzione sulla digitalizzazione per il manifatturiero si caratterizzerà per una maggiore efficienza e per essere molto più competiva rispetto ai suoi competitor.

I vantaggi dell’additive manifacturing stanno, inoltre, iniziando a farsi strada anche in ambito privato, dove grazie all’uso di una stampante 3D è possibile realizzare in totale autonomia piccoli oggetti per la casa, i giochi per i bambini e molto altro. Questo potrebbe nel lungo periodo rappresentare una difficoltà seria per le aziende manifatturiere in quanto i clienti potrebbe far calare gli ordinativi per dedicarsi all’autoproduzione.

Anche il campo della progettazione è stato investito dalla rivoluzione portata dalle tecniche di additive manifacturing anche se si stanno riscontrando delle problematiche maggiori in quanto i sistemi tradizionali di progettazione CAD non sono al momento aggiornati per poter sfruttare in pieno le potenzialità di una stampante 3D.

Sgravi fiscali su industria 4.0 e additive manufaturing

Il piano industria 4.0 ha confermato per buona parte incentivi e sgravi fiscali previsti nella precedente Legge di Bilancio per le imprese che investono in innovazione e soluzioni produttive tecnologicamente innovative. In tal modo, viene riconosciuto l’iper ammortamento sulle stampanti 3D acquistate entro il 31 dicembre 2018. A tal fine è importante che entro tale data l’ordine sia accettato dal venditore e che sia stato versato l’acconto del 20% del costo complessivo della stampante.

Ambiti applicativi dell’additive manufacturing in Italia e nel mondo

Grazie all’estrema flessibilità della tecnologia, l’additive manufacturing trova principalmente applicazione in ambito manifatturiero per la produzione di prototipi e negli studi di progettazione che possono realizzare prodotti di forma complessa ma affascinanti al tempo stesso.
Ma la manifattura additiva si sta diffondendo in misura crescente in diversi ambiti produttivi.

Il settore medico è quello dove l’Additive Manufacturing sta trovando applicazione in virtù del fatto che si possono sperimentare nuove modalità di trattamento delle patologie. Nel campo dentale trova la sua migliore espressone grazie alla realizzazione di protesi da utilizzare nei pazienti.

Un architetto italiano ha utilizzando le tecniche di Additive Manufacturing per la creazione di prototipi di unità abitative di varie forme e dimensioni. Grazie all’uso di uno specifico collante e di polvere di roccia si arriva ad ottenere dei modelli di abitazioni con notevole risparmio di tempo e costi di progettazione.

Lo scenario futuro prevede un abbassamento notevole del costo delle stampanti 3D, circostanza che porterebbe alla realizzazione in totale autonomia, da parte del cliente finale, di molti oggetti di piccola dimensione. Si pensi che già oggi molti prodotti di bigiotteria sono ottenuti direttamente dai venditori.


Bacchetti - Zanardini esperto risponde 3dGentili lettori,
inizia con questa prima risposta al tema 3D Printing e IoT la nuova rubrica ESPERTO RISPONDE con la quale cercheremo di fare luce su una delle tecnologie che più sta impattando sia sul mondo industriale che su quello consumer: la Stampa 3D o stampa additiva.
Con questa rubrica risponderemo anche alle vostre domande che potete inviare a redazione@internet4things.it

Rispondono i nostri esperti
ANDREA BACCHETTI @andreabacchetti e MASSIMO ZANARDINI

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