Dalla stampa 3D alla produzione industriale additiva

Gli sconvolgimenti delle catene produttive e dell’approvvigionamento di materie prime provocati prima dalla pandemia di COVID-19 e poi dalla guerra in Ucraina stanno dando un decisivo impulso alla crescita e allo sviluppo della produzione additiva in termini sia di volumi che di sviluppi tecnologici.

Il rapporto sul mercato della stampa 3D pubblicato lo scorso gennaio da CONTEXT mostra che la ripresa delle attività commerciali ha portato un rinnovato interesse per il printing 3D, che si è riflesso sugli ordini ai produttori di stampanti 3D. Le spedizioni di stampanti 3D industriali, dopo essere state colpite dalla pandemia di COVID-19, sono in ripresa e sono aumentate del 39% nei primi tre trimestri del 2021.

Nel corso del 2021, la domanda più forte nel segmento delle stampanti 3D industriali è stato per i modelli focalizzati sulla produzione o sulla personalizzazione di massa. Le stampanti a fotopolimeri sono aumentate del 22% rispetto ai livelli del 2019, mentre la domanda di modelli a getto di legante metallico (binder jetting) è aumentata del 104%.

I trend del mercato

Le tendenze chiave della stampa 3D nel 2022 includono notevoli dimensioni, alte temperature, stampanti termoplastiche per l’estrusione di materiali, compositi, getto di leganti per metalli e consolidamento dei produttori attraverso fusioni e acquisizioni. CONTEXT prevede che la produzione digitale e la stampa 3D saranno temi centrali in futuro per alleviare i problemi legati alle catene di approvvigionamento.

Varie ricerche di mercato riportano che dal 2020 i tassi di adozione della stampa 3D sono aumentati di pari passo con i cambiamenti del comportamento dei consumatori e delle richieste, con molte aziende che hanno aggiunto questa produzione ai loro flussi di lavoro, non solo per la prototipazione, ma anche per la produzione finale.

L’additive manufacturing da strumento di ricerca e sviluppo e prototipazione sta diventando sempre più una tecnologia di produzione, necessaria per soddisfare le richieste in continua evoluzione dei consumatori e superare gli ostacoli nelle supply chain. Fra i benefici della stampa 3D vi è anche la possibilità di produrre piccoli lotti personalizzati. Con la produzione additiva, i produttori creano internamente parti personalizzabili, riducendo il numero di nodi sulla loro catena di approvvigionamento, accorciando i tempi di consegna e consegnando un prodotto a una frazione del costo.

Evoluzione dei materiali

I materiali sono una componente chiave del mercato della stampa 3D, e comprendono quattro famiglie: polimeri, metalli, ceramiche e compositi.

Nel mercato dei polimeri, l’aspetto della sostenibilità sta diventando sempre più importante. I produttori di materiali per la stampa 3D producono sempre di più filamenti e resine da risorse naturali e rinnovabili o da materiali riciclati, per fornire materie prime ecologiche che permettono di produrre oggetti che possono essere riciclati e con un minore impatto ambientale. Anche nel segmento delle polveri, i produttori cercano di sviluppare plastiche riciclabili, come Bluesint PA12, una polvere riciclabile al 100% sviluppata da Materialise, e il PP 3D High Reusability, un polipropilene sviluppato da BASF in collaborazione con HP.

La produzione additiva aumenta la sostenibilità e riduce la carbon footprint in una vasta gamma di settori, non solo grazie all’efficienza e alla riciclabilità dei materiali, alla riduzione degli sfridi e del consumo di energia, ma anche ai suoi flussi di lavoro digitali, al ridimensionamento dei magazzini e dei trasporti, grazie alla capacità di produrre on demand e direttamente nel Paese di utilizzo.

La natura intrinsecamente flessibile della stampa 3D favorisce un’economia più circolare, per esempio per la facilità di prolungare il ciclo di vita dei prodotti grazie alla produzione di parti di ricambio on demand oppure all’uso innovativo di materiali più ecologici e riciclati al posto delle plastiche monouso.

Per i metalli, è in ascesa la tecnologia a filamenti plastici caricati con metallo ispirata allo stampaggio a iniezione dei metalli (MIM), che permette di fabbricare una parte metallica in tre fasi: stampa, sformatura e sinterizzazione. Il vantaggio principale del processo è il suo basso costo rispetto alle tecnologie di fusione a letto di polvere tramite laser o fasci di elettroni. Il numero di produttori di queste macchine è in aumento: Desktop Metal, Markforged, 3DGence, BCN3D e FuseLab.

Notevole crescita della ceramica nella produzione additiva, dovuta allo sviluppo di nuovi materiali e all’emergere di nuovi produttori in questo campo. Le aziende chimiche si stanno interessando sempre di più alla ceramica e stanno iniziando a offrire soluzioni specifiche per questa tecnologia.

Situazione abbastanza simile per il segmento dei compositi, in crescita grazie alla collaborazione tra diversi attori del settore, che hanno creato partnership per realizzare un portafoglio di materiali adatti alla stampa 3D come PEEK, poliammide e PPS rinforzati con fibre di carbonio.

È sempre più sentita la necessità di una standardizzazione e certificazione delle caratteristiche dei materiali e dei processi di fabbricazione additiva, in modo analogo a quanto già succede nei processi di produzione tradizionali, soprattutto nei mercati come sanità, trasporti, aerospaziale, oil&gas, in cui è richiesta la certificazione della caratteristiche dei prodotti.

Dalla prototipazione alla produzione personalizzata

Storicamente, gran parte della produzione di stampa 3D è avvenuta nei reparti di progettazione in modo separato dal processo di produzione convenzionale. Ma ora i due ecosistemi iniziano a connettersi e a creare un ambiente di produzione più integrato e sempre più digitale, che consente maggiore efficienza, ripetibilità, scalabilità e controllo, e il rapporto tra software, stampa 3D e linee di produzione è sempre più stretto.

Il 2022 segna l’inizio di una nuova ondata di cambiamenti e progressi nel campo della produzione additiva. Alcuni di questi cambiamenti avverranno rapidamente, altri riguarderanno il prossimo decennio.

I flussi di lavoro diventeranno sempre più fluidi, interessando intere catene di approvvigionamento e nuove aree di applicazione. L’adozione di flussi di lavoro digitali end-to-end sta già consentendo il magazzino digitale (file CAD invece dei prodotti fisici) e la produzione on demand di parti di ricambio post-vendita, che consente alle aziende di ridurre drasticamente i costi associati alle loro operazioni post-vendita, creando al contempo nuove attività incentrate sulla fornitura di parti e servizi fabbricati localmente per una serie di prodotti di consumo e industriali.

Gli ecosistemi di produzione automatizzati, che richiedono un basso livello di interazione umana, abbasseranno drasticamente i costi di produzione garantendo al contempo un elevato livello di ripetibilità e coerenza di qualità e si apriranno nuove opportunità di mercato, come la personalizzazione di massa. Sebbene la produzione additiva abbia dimostrato una serie di vantaggi per l’industria, le tecnologie tradizionali come lo stampaggio a iniezione rimangono però ancora più convenienti per gli alti volumi di produzione.

Adozione in costante espansione

Il Pnrr italiano rappresenta per molte aziende un’opportunità per promuovere e sostenere la trasformazione digitale, la sicurezza e la digitalizzazione. In particolare, i fondi verranno destinati all’innovazione tecnologica sostenibile, che caratterizza la produzione additiva. In tutti gli ambiti produttivi si assiste a un’accelerazione nell’adozione delle soluzioni di produzione additiva per rispondere alle esigenze di nuove applicazioni specifiche in grado di integrarsi perfettamente nel flusso di lavoro di produzione esistente, ma anche di sviluppare nuove soluzioni personalizzate, quali i componenti per i settori missilistico, automobilistico, elettronico e sanitario.

L’adozione dell’additive manufacturing da parte delle imprese industriali come metodo di produzione principale è in costante espansione; di conseguenza, per le aziende cresce l’esigenza di disporre di una strategia di ‘produzione intelligente’ e un numero sempre maggiore di aziende sarà in grado di aumentare la produttività e di introdurre scalabilità e flessibilità nei processi di sviluppo e produzione.

Però non basta introdurre la produzione additiva per ottenere flessibilità di progettazione, ridurre i tempi di immissione sul mercato e migliorare l’efficienza della catena di fornitura, ma per mantenere una posizione competitiva le aziende devono integrare in modo efficace ed efficiente queste tecnologie di produzione intelligente nel flusso di lavoro di produzione generale. Si prevede un aumento della domanda di soluzioni progettate appositamente per rispondere a requisiti specifici nei mercati verticali, e le aziende inizieranno a introdurre nuove stampanti 3D progettate per applicazioni, formati e materiali specifici, che saranno accompagnate da piattaforme software complete, migliorate e potenziate, incentrate sull’additive manufacturing e integrate con progettazione e processi produttivi tradizionali.

Manifattura additiva e robotica, combinate con Iot e digital twin, permettono di aumentare di molto l’efficienza nella produzione e abbattere il time-to-market, purché adottate con un approccio olistico che guardi all’insieme della strategia tecnologica e a nuovi modelli di business.