L’evoluzione della produzione additiva

La Produzione Additiva o Additive Manufacturing (AM), conosciuta anche come stampa 3D industriale, è un processo produttivo che consente di creare oggetti tridimensionali aggiungendo materiale strato-dopo-strato fino a ottenere la forma desiderata. A differenza dei metodi tradizionali di produzione sottrattiva, come la fresatura o la tornitura, la manifattura additiva costruisce gli oggetti aggiungendo materia anziché rimuoverla. Secondo la definizione di Additive Manufacturing data dallo standard terminologico ISO/ASTM 52900:2021, “la produzione additiva è un processo di unione dei materiali finalizzato alla creazione di oggetti di modelli 3D, solitamente strato su strato, in contrasto con le metodologie di produzione sottrattiva”.

Le diverse fasi storiche

Anni Ottanta. L’Additive Manufacturing iniziò negli anni ‘80, quando Chuck Hull introdusse la tecnologia della stereolitografia (SLA) presso la 3D Systems. La SLA utilizzava un laser per solidificare strati di resina fotosensibile, consentendo la creazione di modelli tridimensionali.

Anni Novanta. Nascono nuove tecniche di stampa, tra cui la fusione selettiva di polvere (SLS) tramite laser e il deposito di materiale fuso (FDM) tramite estrusione di filamenti di termopolimeri.

Anni 2000. La stampa 3D industriale diventa più accessibile grazie a costi inferiori oltre a una maggiore disponibilità di macchine. In particolare, l’industria aerospaziale e quella automobilistica iniziano a utilizzare l’AM per la produzione di prototipi e componenti. L’AM si è evolve e viene sempre più utilizzata per la fabbricazione additiva di prototipi, parti personalizzate, strumenti e utensili in vari settori industriali, poiché consente di ridurre i tempi e i costi di sviluppo. Vengono introdotti materiali avanzati, come polimeri termoplastici ad alte prestazioni e leghe metalliche, ampliando le possibilità di produzione additiva.

Dal 2010. L’AM si diffonde in altri settori, come quello medico, con la creazione di protesi e impianti personalizzati, l’arredamento e la moda. Le aziende iniziano a esplorare il potenziale della stampa 3D per la produzione su piccola scala.

Dal 2020. Emergono materiali avanzati come plastica, bioplastiche, leghe metalliche, materiali ceramici e compositi che consentono applicazioni più sofisticate che ampliano il ricorso alla stampa 3D per diversi campi applicativi.

Lo scenario odierno

Oggi, le stampanti 3D professionali accelerano l’innovazione e supportano le aziende in vari settori, tra cui ingegneria, produzione, odontoiatria, audiologia, medicina, istruzione, intrattenimento, gioielleria e moda.

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.

La AM consente la creazione di oggetti complessi che comportano diversi vantaggi per le aziende: dalla riduzione degli sprechi di materiale alle personalizzazioni anche delle produzioni in piccola scala.

• 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 diventa conveniente per la produzione su piccola e media scala.

• Oltre alla fabbricazione diretta di prodotti per uso finale, la stampa 3D è vantaggiosa nella ‘produzione ibrida’, come processo intermedio da affiancare a quelli tradizionali, come nella creazione di stampi, strumenti, modelli, fissaggi e dime.

• Le stampanti 3D ‘desktop’, compatte e accessibili, sono dotate di maggiori capacità e, utilizzando più macchine in parallelo, possono offrire prestazioni migliori a livello di costo e rendimento rispetto alle grandi 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.

Alcune applicazioni della manifattura additiva

• Produzione di prototipi funzionali. La stampa 3D consente di creare rapidamente prototipi fisici di prodotti, per testare e valutare il design prima di avviare la produzione di massa. Questo riduce i tempi di sviluppo e i costi associati alla produzione dei prototipi tradizionali.

• Produzione di parti personalizzate. Produzione ‘Lotto 1’ e mass customization.

• Produzione di strumenti e attrezzature. La stampa 3D viene utilizzata per produrre strumenti, attrezzature e dispositivi personalizzati (Tooling).

• Produzione di componenti leggeri e complessi. La manifattura additiva permette di realizzare componenti con geometrie complesse che sarebbero difficili o impossibili da produrre con i metodi tradizionali.

Principali tendenze evolutive

Materiali avanzati: Continueranno a emergere nuovi materiali per la stampa 3D, tra cui materiali compositi che permetteranno di realizzare parti più resistenti e complesse, allargando le applicazioni dell’AM.

Produzione su larga scala: L’AM diventerà sempre più competitiva per la produzione in serie grazie a migliorie nella velocità di stampa e all’ottimizzazione dei processi, aprendo la strada alla produzione di massa personalizzata e flessibile.

Integrazione dell’Intelligenza Artificiale: Le stampanti 3D dotate di intelligenza artificiale (AI) stanno diventando sempre più comuni. L’uso dell’AI per ottimizzare la progettazione, la pianificazione della produzione e il controllo della qualità sarà sempre più diffusa. Ciò consentirà di migliorare l’efficienza e la precisione nell’intero ciclo di produzione. In futuro, si diffonderanno le stazioni di stampa 3D AI. Per ora, questa tecnologia semplifica le interazioni tra uomo e macchina e rimuove gli ostacoli tecnici per i nuovi utenti.

Tecnologie ibride: L’Additive Manufacturing sarà sempre più combinata ad altre tecnologie manifatturiere tradizionali, come la fresatura, per sfruttare al meglio le rispettive capacità. In molti casi, la stampa 3D si affianca ai metodi di manifattura convenzionali (produzione ibrida), per esempio per creare stampi.

Personalizzazione avanzata: La stampa 3D industriale consentirà una personalizzazione ancora più spinta dei prodotti. 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.

Automazione e flusso di lavoro più semplici: Grazie ai miglioramenti di flussi di lavoro e tecnologia sarà possibile risparmiare tempo e manodopera. I fornitori delle stampanti 3D offrono sempre più spesso sistemi modulari e semiautomatici, che semplificano i workflow di post-elaborazione.

Braccia robotiche e sistemi su binario si occupano della rimozione delle parti, semplificando il lavoro dell’operatore e consentono alle stampanti di funzionare in produzione continua automatizzata.

I robot possono rimuovere supporti, applicare rivestimenti e assemblare più parti stampate in 3D e parti convenzionali, andando oltre la produzione digitale e realizzando un ‘assemblaggio digitale’.

I software di gestione intelligente ottimizzano le code di stampa, permettono il monitoraggio a distanza e si integrano con i sistemi ERP e MES. 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.

Il mercato attuale è diverso da quello di pochi anni fa: storicamente, i maggiori acquirenti di stampanti 3D erano i centri servizi di stampa 3D, a cui si rivolgevano le aziende manifatturiere per realizzare i propri pezzi. Attualmente, sono sempre di più le aziende che decidono di investire nella tecnologia invece che rivolgersi a service esterni. Avere una ‘print farm’ in azienda permette di indirizzare la progettazione fin dalle prime fasi, ottimizzando i successivi tempi e costi di manifattura.

Altro importante trend è l’allargamento della sfera operativa della tecnologia verso dal prototyping alla mass customization in vari settori, grazie alla disponibilità di decine di nuovi materiali di consumo, molti dei quali estremamente specializzati: dai polimeri per uso medicale a quelli rinforzati con fibre di carbonio, oltre a varie polveri metalliche grazie alle quali è possibile realizzare in AM parti in acciai speciali, alluminio, rame e ottone. Cresce anche sempre di più la richiesta di personale qualificato per l’utilizzo sia dei software che delle macchine.

Il ruolo giocato nei principali settori

Prodotti di consumo. Si osserva una crescente richiesta di prodotti personalizzati a costi contenuti e con cicli di produzione rapidi.

Il settore aerospaziale esprime una crescente domanda di componenti ad alte prestazioni. La stampa 3D è capace di produrre oggetti come gli interni delle fusoliere degli aerei (personalizzabili per singole compagnie aeree) e persino le bocche di alimentazione dei razzi.

Stampanti spaziali. Ci sono stati di recente sviluppi nel settore della stampa spaziale. Queste unità differiscono dalle stampanti terrestri in quanto devono essere in grado di stampare senza l’aiuto della gravità. l’ESA (Agenzia Spaziale Europea) ha annunciato la stampa di più componenti metallici 3D in microgravità nella Stazione Spaziale Internazionale, con il completo controllo da terra.

Il settore manifatturiero sta progredendo verso l’ottimizzazione delle tecnologie e dei macchinari già esistenti. Un esempio è la produzione di stampi per l’iniezione di plastica.

Il settore sanitario richiede sia applicazioni esistenti, come le protesi, sia nuove applicazioni, come le valvole cardiache prodotte con materiali biocompatibili, consentendo la stampa 3D diretta all’interno degli ospedali.

Il settore automobilistico si concentra principalmente sulla produzione di componenti di ricambio e tooling. Questo approccio evita la necessità di stabilire catene di approvvigionamento dedicate.

Si stanno sperimentando le prime applicazioni della stampa 3D in altri settori come la moda e l’energia. L’attenzione si focalizza sulla prototipazione e sulla produzione su scala limitata.

Quando si lavora con l’Additive, bisogna pensare e progettare in maniera diversa (Think Additive), con strumenti nuovi.

Sostenibilità

I trend positivi dell’additive manufacturing sono anche sostenuti dal fatto che la tecnologia è intrinsecamente resiliente e sostenibile. Nel caso in cui le vie di rifornimento dall’estero fossero a rischio di blocco, la possibilità di stamparsi le parti di ricambio in azienda torna a essere un’opzione desiderabile.

L’AM è sostenibile sul piano ambientale e su quello economico. La stampa 3D utilizza solo la quantità di materiale di consumo strettamente necessaria a realizzare il prodotto, e quindi non produce scarti; inoltre progettando in modo corretto (progettazione DFAM = Designed For AM), il pezzo prodotto con la stampante 3D generalmente è più leggero di quello creato con tecnologia convenzionale e può usare materiali riciclati.

Si sta diffondendo la progettazione generativa: definiamo il volume, indichiamo quali saranno i carichi o quali saranno le prestazioni che vogliamo ottenere, e il software comincia a togliere tutto ciò che non serve, fino ad arrivare a strutture ottimizzate. Con l’AM, la complessità è gratis.

Inoltre è una tecnologia ‘lean’, in quanto riduce trasporti e movimenti di persone, cose e macchine, riduce la sovrapproduzione e gli inventari.

Molte aziende dichiarano di essere interessate all’AM per trovare alternative produttive sostenibili perché riducono il numero di materiali e promuovono l’economia circolare. La stampa 3D è un elemento chiave per il raggiungimento di una manifattura digitale più sostenibile rendendo possibile a un numero sempre maggiore di aziende l’integrazione di pratiche ecosostenibili nei processi produttivi esistenti.

Limitazioni dell’AM

La stampa 3D ha ancora qualche criticità: stabilità e controllo del processo, velocità e tempi di produzione, costo dei materiali, operazioni di post-produzione complesse e/o onerose, costo totale del processo di produzione, che in molti casi è ancora troppo elevato. Limiti che dovranno essere superati nei prossimi anni se si vogliono cogliere pienamente i vantaggi dell’industria 4.0.

L’AM non può sostituire universalmente le tecnologie tradizionali, se non in specifici ambiti, che si stanno espandendo, grazie alle nuove tecnologie di stampa, al miglioramento delle prestazioni, all’aumento dei materiali di consumo disponibili. Ma non è ancora una tecnologia universale; soprattutto, richiede un know-how ancora poco disponibile, perché la tecnologia è ‘relativamente’ giovane rispetto alle tradizionali tecnologie produttive, e perché l’evoluzione nel settore è così rapida che è difficile mantenersi aggiornati.

Il mercato della stampa 3D

La stampa 3D negli ultimi anni ha fatto passi da gigante ed è cresciuta al punto da essere facilmente accessibile non solo su scala industriale, ma per gli hobbisti, gli artigiani e i professionisti.

Dal 2016 al 2022 il mercato globale è triplicato, passando (secondo il rapporto Wohlers 2023) da 6,1 a 18 miliardi di dollari a livello globale.

Secondo SmartTech Publishing, entro il 2027 il comparto AM supererà i 41 miliardi di dollari, mentre Research & Markets ipotizza un mercato additive da 77 miliardi di dollari nel 2030. Sempre secondo Research & Markets, il mercato italiano sarà quello dove l’AM crescerà di più in Europa, grazie agli incentivi per l’Industria 4.0 /5.0 e alla creatività delle aziende italiane che “scoprono” nuovi possibili utilizzi della tecnologia, come nel campo della nautica, del restauro e dell’arte. Attualmente, l’Italia è seconda in Europ