Le tecnologie di produzione additiva (ingl. "addictive manufacturing", AM), o stampa 3D, creano parti tridimensionali a partire da modelli progettati al computer (ingl. "computer-aided design", CAD) tramite l'aggiunta di più strati di materiale sovrapposti finché non viene completato il pezzo.
Anche se le tecnologie di produzione additiva sono in circolazione fin dagli anni '80, il settore ha ricevuto molta attenzione dopo il 2010, quando i promotori dichiararono che queste tecniche avrebbero trovato ampio utilizzo nelle applicazioni per consumatori e in aziende come The Home Depot e UPS.
Da qualche anno le aspettative sono più realistiche e le tecnologie di stampa 3D professionale si sono sviluppate concretamente in svariati modi. Le recenti innovazioni in termini di meccanica, materiali e software hanno reso la stampa 3D accessibile a una vasta gamma di attività, consentendo a sempre più aziende di utilizzare degli strumenti che in precedenza erano alla portata solo di pochi settori tecnologici.
Oggigiorno, le stampanti 3D professionali accelerano l'innovazione e supportano le aziende in svariati settori, tra cui ingegneria, produzione, odontoiatria, medicina, istruzione, intrattenimento, gioielleria e audiologia.
Continua a leggere per scoprire una panoramica approfondita di cinque tendenze chiave che hanno influenzato il settore della produzione additiva e quali sono le prospettive per il futuro.
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Panoramica: lo stato attuale del settore della produzione additiva
Si stima che il mercato della stampa 3D, con un fatturato di 6 miliardi di dollari nel 2017, crescerà a un tasso annuale del 30,2%, per raggiungere una quota di mercato totale di 22 miliardi di dollari entro il 2022.
- La stampa 3D è stata onnipresente nella prototipazione e nello sviluppo dei prodotti per decenni. Ora questa tecnologia in maturazione si sta diffondendo nella produzione.
- Grazie al perfezionamento della tecnologia, che consente di ottenere un elevato rendimento e parti finali di alta qualità, nonché a una varietà di materiali migliorati, la stampa 3D è pratica per la produzione su piccola e media scala, in alcuni casi fino a decine di migliaia di unità.
- Oltre alla fabbricazione diretta di prodotti per uso finale, la stampa 3D offre straordinari vantaggi nella "produzione ibrida", nel ruolo di processo intermedio da affiancare a quelli tradizionali, ad esempio nella creazione di stampi, strumenti, modelli, fissaggi e dime.
- Le stampanti 3D "desktop", compatte e accessibili, sono dotate di maggiori capacità e, utilizzando più modelli in parallelo, possono offrire prestazioni migliori a livello di costo e rendimento rispetto alle dispendiose stampanti 3D industriali.
- I produttori stanno cercando di diminuire la necessità di manodopera per i workflow di produzione additiva. Solo in questo modo è possibile introdurre la stampa 3D nelle produzioni su media e larga scala.
- Gli investimenti nella produzione additiva di metalli sono alle stelle, mentre i miglioramenti dei processi e le nuove tecnologie riducono il costo per unità.
Rapporto 2022 sulle applicazioni della stampa 3D
Un rapporto che analizza le tendenze passate, presenti e future relative al ruolo della stampa 3D in ambito produttivo.
Tendenze principali nel settore della produzione additiva
Sistemi modulari compatti per la plastica
Durante i loro primi tre decenni di esistenza, a causa di costo e complessità, la diffusione delle stampanti 3D era limitata a grandi imprese e servizi di stampa. Nei primi anni dopo il 2010, le maggiori capacità dell'hardware integrato, i brevetti scaduti e il livello di maturità della tecnologia spinsero centinaia di aziende a entrare nel mercato e riempirlo di stampanti 3D. Si formò presto una bolla.
La prima tecnologia a essere disponibile in versione desktop fu la modellazione a deposizione fusa, in inglese "fused deposition modeling" (FDM). Le stampanti 3D che sciolgono e depositano in maniera selettiva la plastica divennero davvero accessibili ai consumatori, ma le loro capacità restarono limitate. L'ondata di entusiasmo si spense rapidamente, e il sogno di vedere una stampante 3D in ogni casa non si realizzò.
Lontano dal mercato in ebollizione della stampa 3D per i consumatori, però, le tecnologie additive continuarono ad avanzare rapidamente. Le stampanti pensate per i professionisti, da utilizzare in ingegneria, prototipazione e produzione, cominciarono a ottenere traguardi importanti a livello di qualità di stampa, affidabilità e struttura dei costi.
La seconda tecnologia che comparve in formato accessibile, compatto e facile da usare fu la stereolitografia (SLA). Nel 2013, la Form 1 di Formlabs portò sul mercato la stampa 3D ad alta risoluzione, prima disponibile solo grazie a stampanti 3D da 80 000 $ o più, a un prezzo di 3300 $. Grazie alla vasta gamma di materiali funzionali offerti, l'uso di questa tecnologia di stampa 3D si diffuse nei settori di design industriale e ingegneria, nonché odontoiatrico e gioielleria.
Il terzo tipo di stampa 3D disponibile su desktop (o, per essere precisi, da banco) è basato sulla sinterizzazione laser selettiva (SLS), che è stata una tecnologia fondamentale per gli utenti industriali. A differenza degli altri processi di produzione additiva desktop, la sinterizzazione laser selettiva crea parti incredibilmente robuste a partire da termoplastiche come il nylon, che sono forti quasi quanto le plastiche a iniezione. La polvere non fusa supporta i pezzi in lavorazione, consentendo quindi di posizionare più parti all'interno della piattaforma di stampa e ottenere un rendimento superiore. In questo modo è possibile anche semplificare il workflow di post-elaborazione.
Fino a tre anni fa, la stampante a sinterizzazione laser selettiva meno costosa aveva un prezzo che si aggirava intorno ai 200 000 $ (mentre i sistemi industriali più grandi arrivavano a costare diversi milioni di dollari). Le stampanti a sinterizzazione laser selettiva da banco che producono parti in nylon cominciano a essere disponibili nella fascia di prezzo intorno ai 10 000 $, rendendo quindi la tecnologia molto più accessibile e riducendo sensibilmente i costi di produzione, se tenuto conto della proprietà dell'attrezzatura. La sinterizzazione laser selettiva da banco ha il potenziale per espandersi oltre la prototipazione e arrivare a essere utilizzata nella produzione di parti per uso finale.
Stampa 3D in metallo
I metalli sono sempre stati tra i più importanti materiali nel mercato della produzione additiva, e negli ultimi anni gli investimenti nella stampa 3D in metallo sono cresciuti notevolmente.
La stampa 3D in metallo attira molto interesse perché offre la possibilità di realizzare parti ad alte prestazioni in acciaio, titanio, alluminio e leghe di nichel con geometrie particolari per settori esigenti e di grande valore come l'aerospaziale e i dispositivi medici. In questi ambiti è possibile sfruttare al massimo la stampa 3D per creare parti metalliche, in particolare se progettate in maniera generativa e altamente reticolata, che riducono i requisiti di materiali e il peso del pezzo.
I sistemi più tradizionali di produzione additiva in metallo sono la fusione laser selettiva (ing. "selective laser melting", SLM) e la sinterizzazione laser diretta dei metalli (ing. "direct metal laser sintering", DMLS). Proprio come la sinterizzazione laser selettiva della plastica, questi processi creano oggetti a partire da sottili strati di materiali in polvere sottoposti a fusione mirata utilizzando una fonte di calore. A causa, però, del superiore punto di fusione dei metalli, richiedono dei laser molto più potenti e un ambiente di produzione industriale.
Fino a poco tempo fa, visti i costi elevati e l'estrema complessità, queste stampanti 3D per metalli erano accessibili solo per poche applicazioni a volume ridotto e grande valore. Il prezzo delle stampanti DMLS e SLM per metalli vanno dai 400 000 $ fino a più di 1 000 000 $, e richiedono operatori altamente qualificati e ambienti controllati. A differenza delle stampe SLS in plastica, i pezzi in metallo realizzati tramite sinterizzazione laser richiedono delle strutture di supporto. La post-elaborazione richiede molta manodopera e alcune parti devono essere lavorate ulteriormente per poter soddisfare i requisiti finali.
Negli ultimi anni sono stati fatti numerosi investimenti nel campo della stampa 3D in metallo. Nel 2016 General Electric ha acquisito due aziende leader nella produzione additiva dei metalli: Concept Laser e Arcam. Svariate società sostenute da finanziatori, tra cui Desktop Metal, Markforged e Xjet, stanno sviluppando nuovi processi di stampa 3D in metallo, che puntano a ridurre il costo per unità e rendere questa tecnologia accessibile per una più vasta gamma di applicazioni.
Con l'obiettivo di perturbare il mercato dal basso, Desktop Metal e Markforged hanno sviluppato dei sistemi pratici e compatti che funzionano in maniera simile alla modellazione a deposizione fusa, ma utilizzano materiali composti di polvere metallica legata in una matrice plastica. Dopo la stampa, i pezzi vengono puliti e sinterizzati in un forno per rimuovere le parti di legatura e fondere la polvere metallica in parti solide. Con prezzi che vanno dai 100 000 $ per un sistema completo, queste soluzioni sono molto meno costose rispetto ai tradizionali assetti basati su laser per la produzione additiva dei metalli.
Il secondo sistema di Desktop Metal per la produzione di alto livello combina materiali testati per lo stampaggio a iniezione dei metalli con una tecnologia simile al Binder Jetting, per far ripartire l'ecosistema e ridurre notevolmente i costi. La tecnologia di stampa dei metalli di XJet sospende le particelle di metallo in un liquido e le dissipa utilizzando il calore, per formare parti solide in metallo e ceramica.
Anche se queste tecnologie non renderanno accessibile a tutti la stampa 3D in metallo (per il momento), amplieranno l'uso della produzione additiva in una serie di settori a volume medio e basso e modernizzeranno i processi di prototipazione e sviluppo dei prodotti per le parti metalliche.
Automazione e flusso di lavoro più semplici
Al contrario di quanto si possa pensare, la manodopera è la componente più costosa della maggior parte dei processi di produzione additiva. Una stampante 3D non è una scatola magica su cui basta premere un pulsante per ottenere un pezzo perfetto; i tecnici devono rimuovere le parti dalla stampante ed eseguire un qualche tipo di post-elaborazione, che può variare molto a seconda dei casi: può andare da una leggera spazzolata fino a lavaggi profondi in solvente, trattamenti ad alte temperature, finiture abrasive e processi di rivestimento. Prima di poter avere un posto rilevante in fabbrica, i sistemi di produzione additiva devono ridurre le necessità di manodopera e adattarsi ai workflow di manifattura esistenti.
Grazie ai miglioramenti di flussi di lavoro e tecnologia sarà possibile risparmiare tempo e manodopera. Alcune stampanti FDM con doppio ugello offrono supporti solubili che possono essere rimossi facilmente tramite il lavaggio in solventi. Mentre esistono dei sistemi di stampa stereolitografica che semplificano la post-elaborazione tramite l'automazione delle postazioni di lavaggio e polimerizzazione post-stampa. Dato che la stampa della plastica tramite sinterizzazione laser selettiva non richiede strutture di supporto, i suoi workflow di post-elaborazione di solito sono meno laboriosi rispetto ad altri processi, e si può anche ottenere un volume di stampa superiore, riducendo allo stesso tempo la lavorazione delle parti necessaria. Le aziende del settore della produzione additiva offrono sempre più spesso dei sistemi modulari e semiautomatici, che semplificano i workflow di post-elaborazione e che includono la gestione e l'estrazione della polvere, il trattamento termico e la rimozione delle parti.
Proprio come i computer sono passati da un elaboratore centrale ai PC desktop negli anni '80, i sistemi di stampa 3D sono oggi distribuiti piuttosto che monolitici. Formlabs, Stratasys, 3D Systems e Mass Portal hanno introdotto stampanti modulari, compatte e automatizzate per le plastiche. Braccia robotiche e sistemi su binario si occupano della rimozione delle parti, semplificando così il lavoro dell'operatore e consentendo quindi alle stampanti di funzionare 24 ore al giorno in produzione continua automatizzata. Dei software di gestione intelligente ottimizzano la coda di stampa, permettono il monitoraggio a distanza e si integrano con i sistemi CRM, ERP e MES. Una serie di sensori rileva le stampe non riuscite e protegge gli operatori. I sistemi modulari offrono inoltre il beneficio della ridondanza: se una macchina si guasta, il carico di lavoro può essere distribuito sulle altre per continuare la produzione senza interruzioni.
, una cella di produzione modulare sviluppata da Formlabs, utilizza un braccio robotico e un sistema su binario per rimuovere le parti terminate e pulirle in una postazione di lavaggio prima di posizionarle su un carrello per la post-elaborazione, riducendo quindi sensibilmente la necessità di manodopera.](https://archive-media.formlabs.com/upload/AM_-_image5.jpg#autosize=7527)
Queste celle automatizzate influiscono ulteriormente sull'economia della stampa 3D, perché trasformano un gruppo di macchine desktop in una catena di produzione, offrendo rendimento elevato a basso costo. Inoltre, consentono a ingegneri e progettisti di usare la stessa piattaforma di stampa 3D sia per i prototipi sia per la produzione, riducendo i costosi processi di produzione per la progettazione e accorciando i cicli di sviluppo dei prodotti.
A mano a mano che i sistemi di automazione migliorano, e acquisiscono la capacità di gestire forme irregolari e uniche, è possibile rendere automatici altri aspetti della stampa 3D. I robot possono rimuovere supporti, applicare rivestimenti e usare adesivi per combinare più parti stampate in 3D e parti convenzionali, andando oltre la produzione digitale e realizzando invece un “assemblaggio digitale.”
Innovazioni nei materiali
I sistemi di produzione additiva sono il "coltellino svizzero" degli strumenti di manifattura. Funzionano con una vasta gamma di materiali; ciò consente a una singola macchina di produrre parti adatte per applicazioni anche molto differenti tra loro.
Uno dei migliori esempi di questa versatilità sono i processi di stampa 3D di polimeri tramite resina, come la stereolitografia (SLA). La stessa stampante 3D SLA desktop compatta può produrre bite dentali biocompatibili e dime chirurgiche in un piccolo ufficio odontotecnico e dime, fissaggi e stampi resistenti alle alte temperature per una fabbrica di automobili.
In maniera simile, altri materiali speciali per la stampa 3D consentono di digitalizzare processi che fino a questo momento erano esclusivamente analogici. Le resine ad alte temperature possono essere utilizzate nello stampaggio a iniezione di plastiche a bassa pressione e possono persino essere usate per fondere metalli teneri come il peltro. Anche se la qualità dello stampaggio non è paragonabile a quella della lavorazione allo stato solido, gli stampi creati in 3D rispondono a un'esigenza cruciale per le produzioni di corto e medio termine, in cui i costi per l'attrezzatura non sarebbero altrimenti recuperabili.
Le parti stampate tramite stereolitografia, sinterizzazione laser selettiva e modellazione a deposizione fusa possono essere utilizzate per creare dime e fissaggi per le linee di produzione industriale, andando quindi a sostituire costosi processi di lavorazione meccanica. PEEK, ULTEM e le termoplastiche ingegneristiche per la modellazione a deposizione fusa offrono proprietà meccaniche e resistenza alle temperature in grado di rivaleggiare persino con le parti in metallo. E i nuovi materiali stereolitografici in ceramica promettono di fornire un'eccezionale resistenza al calore e un'interazione chimica inerte.
Migliorare l'economia per il settore manifatturiero
La stampa 3D non è una panacea per tutti i mali del settore manifatturiero; al momento è stata utile solo per i lavori di maggior valore, con volumi ridotti e altamente personalizzati. Per gli alti volumi di produzione, i metodi tradizionali restano i più economici. Tuttavia, l'economia della stampa 3D sta migliorando e la soglia di costo per unità si sta spostando: è sempre più pratico utilizzare la tecnologia in applicazioni con un valore incrementale più basso e volumi più elevati. Alimentata dall'innovazione tecnologica e dal miglioramento delle proprietà dei materiali, la produzione additiva è destinata a espandersi ulteriormente per essere implementata non solo nella prototipazione, ma anche per l'uso finale e la produzione in serie.
In molti casi, la stampa 3D è un passaggio intermedio da affiancare ai metodi di manifattura convenzionali; questo tipo di assetto viene chiamato produzione ibrida. Ad esempio, nel settore della gioielliera la stampa 3D è parte del procedimento di fusione. I gioiellieri iniziano progettando un pezzo digitalmente, quindi lo stampano in 3D in una resina colabile, che può essere immersa in un materiale per la fusione simile a sabbia e bruciata in maniera pulita in un forno, proprio come i tradizionali modelli in cera, creando così un calco per metalli preziosi.
Un processo di stampa 3D ibrido può essere utilizzato anche per produrre testine per auricolari personalizzate economiche. Tutto inizia con una scansione digitale rapida e non intrusiva del canale uditivo del cliente realizzata con uno scanner 3D. Un tecnico modifica il file digitale per creare uno stampo 3D e lo invia a una stampante 3D SLA. Una volta stampate, le parti vengono pulite e il tecnico cola il silicone biocompatibile negli stampi, rimuove la scocca stampata in 3D, quindi si occupa di finitura e rivestimenti del prodotto finale. Perciò la stampa 3D diventa una parte integrante di questi processi artigianali tradizionali, anche se nessun componente del prodotto finale è stato stampato in 3D.
Settori come odontoiatria, dispositivi medici e audiologia stanno adottando rapidamente la stampa 3D per produrre parti finali che si adattano al profilo unico dei pazienti. A mano a mano che la stampa 3D diventa la norma negli studi e laboratori odontotecnici, verrà usata sempre più spesso per produrre bite e protesi dentali direttamente a partire da materiali biocompatibili. In audiologia, la stampa 3D viene utilizzata per la creazione della maggior parte degli apparecchi acustici personalizzati. Inoltre, il mercato medico in generale offre un enorme potenziale. Ad esempio, parti biocompatibili resistenti realizzate tramite sinterizzazione laser selettiva possono essere utilizzate per produrre plantari su misura e altri dispositivi che entrano in contatto con la pelle.
Grazie alla costante riduzione dei costi, la produzione additiva è destinata a fare la sua comparsa in un numero sempre maggiore di prodotti quotidiani. Basti pensare che nei segmenti ad alto volume dell'elettronica di consumo lo stampaggio a iniezione al momento è ancora l'unico modo pratico di produrre parti in plastica. Nel segmento a medio volume dell'industria elettronica, però, la stampa 3D ha cominciato a prendere piede. Utilizzando la produzione additiva piuttosto che lo stampaggio a iniezione, le aziende del settore possono ottimizzare le fasi di progettazione e produzione, mantenendo flessibilità e, dato che non è necessario lavorare le parti 3D, raggiungendo la parità con lo stampaggio a iniezione a volumi superiori alle 10 000 unità.
Imprese di calzature come New Balance e Adidas hanno annunciato che entro i prossimi anni inizieranno a produrre in massa intersuole personalizzate stampate in 3D a partire da poliuretano rigido (RPU). Anche in questo caso, la stampa 3D sarà combinata con altri metodi di produzione: permetterà di realizzare parti incredibilmente fondamentali e personalizzate del prodotto, mentre lascerà altre parti ai processi di fabbricazione tradizionali ed economici.
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