Evoluzione e stato dell’arte della stampa 3D

Dopo la pausa forzata dovuta alla pandemia di Covid-19, durante la quale le stampanti 3D installate hanno avuto un importante ruolo nella produzione di strumenti e prodotti medicali e parti di ricambio, questa industria è pronta a ripartire. Molte aziende nel 2020 hanno ritardato gli annunci di nuovi prodotti nella speranza di maggiori opportunità nel 2021. Infatti, i principali eventi della stampa 3D e delle forniture industriali annullati o ridimensionati nel 2020 si stanno preparando per una forte ripresa nel secondo semestre del 2021.

In ogni caso, nonostante la pandemia, il mercato globale della manifattura additiva ha raggiunto nel 2020 il valore di 13,2 miliardi di dollari, e la società di ricerche di mercato Context prevede che la crescita dei ricavi dalle spedizioni di sistemi di stampa 3D industriali aumenterà del 15% nel 2021 e vedrà un CAGR quadriennale del 19% fino al 2024, per raggiungere tra i 24 e i 27 miliardi di dollari nel 2027 e superare i 30 miliardi prima del 2030.

Le ultime novità

In quest’ultimo periodo si è registrato un forte sviluppo soprattutto per le tecnologie focalizzate sulla produzione in serie, come la fusione del letto di polvere (SLS, DMLS, MJF, HSS), la fotopolimerizzazione in vasca (SLA, DLP, DLS / CLIP) per i polimeri, l’ulteriore evoluzione delle stampanti a filamenti (FDM, FFF, MIM, CIM) e il binder jetting per metalli.

Le innovazioni più significative dovrebbero essere nel campo del binder jetting per la produzione in serie di parti metalliche e la stampa 3D di materiali compositi e ceramici, che dovrebbero offrire notevoli progressi nel 2021 grazie a produttori come HP, Desktop Metal, Markforged, Digital Metal ed ExOne. Costruite attorno alle testine di stampa a getto d’inchiostro, le stampanti a getto di legante possono produrre parti fino a 100 volte più velocemente rispetto alla stampa 3D basata su laser. Questa velocità si traduce in produttività e costi di produzione che possono competere con i processi tradizionali come la fusione e la forgiatura, tanto che I sistemi binder jetting ad alta velocità e capacità potrebbero alterare il panorama manifatturiero.

Nel lungo termine, le stampanti per metalli, polimeri e ceramiche focalizzate sulla produzione in serie sono destinate a guidare la crescita del settore della stampa 3D.

Printer ceramiche

Il rapporto sulla manifattura additiva della ceramica – Ceramics Additive Manufacturing 2020 di Smartech Analysis – prevede che il business legato alla produzione additiva con ceramiche tecniche possa crescere fino a 3,1 miliardi di dollari entro il 2030, compresi gli hardware, i materiali e le parti prodotte, mentre il mercato complessivo della ceramica stampata in 3D, compresi i ricavi relativi alla ceramica tradizionale (sabbia e cemento), potrebbe raggiungere i 4,8 miliardi nello stesso anno.

La stereolitografia è attualmente la tecnologia più ampiamente adottata per la stampa 3D seriale di ceramiche tecniche. I leader di mercato in questo settore sono Lithoz con sede in Austria e 3DCeram con sede in Francia. Altre entità rilevanti includono ExOne e Voxeljet per processi di binder jetting di ceramiche tradizionali e tecniche, nonché XJet e Nanoe che stanno emergendo nella stampa 3D di nanoparticelle di ceramica. Sta crescendo anche il segmento della stampa 3D in carburo di silicio (SiC).

Si sta sviluppando una nuova tecnologia di AM della ceramica basata sullo stampaggio a iniezione di ceramica (CIM = Ceramic Injection Molding) basata sui filamenti termoplastici contenenti polvere ceramica in varie forme, che possono essere modellati utilizzando una stampante 3D per estrusione di filamenti termoplastici al fine di produrre parti verdi che vengono poi sottoposte a processi di de-binding e sinterizzazione in fornace: una tecnologia del tutto simile al Metal Injection Molding (MIM), che sfrutta filamenti caricati con polveri metalliche e permette di realizzare stampanti 3D per metalli molto più economiche di quelle basate su laser.

Grandi formati

Nel campo delle stampanti a grande formato, macchine come le Massivit raggiungono volumi utili di stampa di 3 mc e sono in grado di produrre non solo oggetti promozionali per il visual merchandising, ma anche parti funzionanti con grandi stampi, parti di barche e di carrozzerie di automobili grazie alla tecnologia Gel Dispensing Printing (GDP), che si basa su un getto di gel consolidato da una luce ultravioletta, mentre le grandi stampanti Delta WASP con tecnologia LDM (Liquid Deposition Modeling) permettono di realizzare vasellame, grandi manufatti e intere case con ceramica, argilla e cemento.

Secondo il centro servizi di stampa 3D belga Materialise, la stampa 3D ha iniziato il 2021 con tre tendenze chiave: il ritorno al tavolo da disegno per ripensare la produzione; la personalizzazione non solo dei prodotti, ma anche delle stampanti 3D inserite nei processi di produzione; la creazione rapida di nuove soluzioni.

Ovunque la crisi Covid-19 sta accelerando la digitalizzazione in ogni area poiché le aziende stanno investendo in tecnologie che possono aiutarle ad adattarsi a questa nuova normalità e colmare le lacune di approvvigionamento, lavoro a distanza e soluzioni locali. La pressione di questa minaccia esistenziale richiede però di ripensare al modo in cui affrontiamo i problemi di produzione in condizioni di emergenza, e introdurre nuovi strumenti di design e processi innovativi.

La crisi Covid-19 ha dimostrato che la manifattura additiva (AM) può fornire soluzioni significative alle sfide emergenti, ma finora raramente le soluzioni realizzate hanno realmente sfruttato i punti di forza della tecnologia, poiché Il valore aggiunto dell’AM risiede nella possibilità di creare cose che nessun altro metodo di produzione può realizzare. L’AM libera i progettisti dai vincoli e dai limiti delle tecnologie di produzione tradizionali, aiutandoli a concentrarsi sulla soluzione anziché sul prodotto, e consente di creare vantaggi in termini di prestazioni, risparmio di peso, tempi e costi.

Seconda ondata della manifattura additiva

Lo sviluppo dell’industria della produzione additiva, iniziato 30 anni fa, è composto da tre curve di crescita distinte. La prima, a partire dai primi Anni ‘90 ai giorni nostri, si è concentrata principalmente sulla ricerca e lo sviluppo delle nuove tecnologie additive, con applicazioni soprattutto nella prototipazione, negli attrezzaggi e in alcune nicchie di mercato (modellistica, aerospazio, racing, gioielleria e abbigliamento, applicazioni medicali e dentali). Anche alcuni componenti in titanio di Luna Rossa sono stati prodotti con la stampa 3D.

Oggi, l’industria è all’inizio di una nuova ondata di crescita (AM 2.0), che vedrà una più ampia adozione della stampa 3D per la produzione, cambiando il modo in cui vengono realizzati i prodotti. Di particolare interesse l’utilizzo della AM per il ‘bridge manufacturing’ (detto anche pilot o rapid manufacturing o pre-produzione) uno stadio del ciclo di sviluppo dei prodotti che si posiziona tra la fine della prototipazione e l’avvio della produzione di massa. In funzione delle dimensioni dei prodotti e dei materiali, si possono realizzare batterie di piccole stampanti a filamenti o fotopolimerizzazione in vasca, di stampanti di medie dimensioni per polimeri, ceramiche e metalli, o stampanti di elevato volume per gel, polimeri e cemento per realizzare prodotti di notevoli dimensioni.

Nei prossimi anni la produzione additiva affiancherà processi tradizionali come la fusione e la forgiatura e consentirà ai produttori di concepire prodotti nuovi e più innovativi. AM 2.0 ha anche il potenziale per fornire non solo prodotti migliori, ma anche un mondo migliore, più pulito e più sostenibile, grazie ad ambienti di lavoro più sani e confortevoli, minori sfridi, minore assorbimento energetico, riuso di materie prime ed economia circolare.

Poiché il settore continuerà a evolversi nei prossimi decenni, gli analisti prevedono che nei prossimi 30 anni si raggiungerà la curva successiva (AM 3.0), in cui le aziende stamperanno prodotti completi utilizzando più materiali diversi (per esempio smartphone, motori elettrici o aspirapolvere), riducendo ulteriormente i costi e i tempi di produzione e gli impatti ambientali.