Nell'ultimo decennio, la produzione additiva, nota anche come stampa 3D, ha rivoluzionato il modo in cui progettiamo e realizziamo parti e prodotti. Secondo il BS EN ISO/ASTM 52900, la produzione additiva è il processo di unione di materiali per creare delle parti partendo da dati di modelli 3D, solitamente strato su strato, in contrapposizione alle metodologie di produzione sottrattiva e formativa. In quanto tecnologia di produzione, trova applicazione in vari segmenti industriali, tra cui l'industria automobilistica, aerospaziale e aeronautica, sanitaria, petrolifera e del gas, energetica, della produzione di energia, della moda, dell'edilizia, dell'istruzione e delle arti creative. Secondo i dati, nel 2023 il mercato della produzione additiva ha raggiunto i 20,37 miliardi di dollari, con un CAGR previsto superiore al 20% nel prossimo decennio.
Perché adottare la produzione additiva?
Nel prossimo futuro, i metodi di produzione convenzionali come ad esempio fusione, forgiatura, lavorazione meccanica e fabbricazione, continueranno a essere una parte significativa dell'ambiente produttivo. Con numerosi vantaggi complementari a quella convenzionale, la produzione additiva sarà sempre più uno strumento importante nella cassetta degli attrezzi di un ingegnere. Per sua natura, la produzione additiva offre numerose opportunità.
1) Prototipazione: non utilizzando utensili e grazie alle rapide capacità di produzione, la produzione additiva consente agli ingegneri di visualizzare fisicamente e testare rapidamente i prototipi, una capacità accelerata di iterare i progetti che riduce significativamente il ciclo di sviluppo di nuovi prodotti.
2) Personalizzazione: la produzione additiva consente la progettazione e la produzione di parti personalizzate uniche, senza la necessità di utensili costosi, un approccio utile soprattutto nel settore sanitario, consentendo di creare e adattare senza problemi impianti unici per i pazienti.
3) Ricambi: nel settore dell'aftermarket e dei servizi, la produzione additiva consente la produzione conveniente di pezzi complessi e di piccole dimensioni con tempi di consegna rapidi e a livello locale, ovunque se ne ravvisi la necessità. Quando si ha a che fare con l'obsolescenza dei componenti, la produzione additiva rappresenta una soluzione efficace per il reverse engineering e l'approvvigionamento di componenti per risorse ingegneristiche critiche, prolungandone la durata di vita. Per quanto riguarda la riparazione e la manutenzione, la possibilità di reperire ricambi su richiesta riduce significativamente l'inventario fisico dei pezzi e consente l’impiego di soluzioni di magazzino digitale.
4) Miglioramento delle prestazioni: la produzione additiva offre una libertà di progettazione senza pari, in cui gli ingegneri possono creare parti o prodotti con prestazioni superiori e riduzione del peso. Tra gli esempi rientrano il miglioramento dell'efficienza delle turbine a gas o dei motori aeronautici, la progettazione di scambiatori di calore altamente compatti ed efficienti e l'ottimizzazione degli stampi a iniezione raffreddati in modo conforme. Gli stampi a iniezione AM possono portare a prodotti migliori, riduzione degli scarti e tempi di ciclo di iniezione più brevi.
5) Prolungamento della vita operativa: progettando parti adatte ad ambienti di lavoro specifici, la produzione additiva contribuisce a migliorare la durabilità, con componenti che resistono meglio allo stress, alla fatica e all'usura. L'integrazione delle parti elimina giunzioni e interfacce, con conseguente maggiore durata. La personalizzazione delle proprietà dei materiali, ad esempio l'utilizzo di materiali biocompatibili per gli impianti medici o di materiali resistenti alle alte temperature per i motori aeronautici, ne aumenta ulteriormente la durabilità.
Rivoluzionare le industrie: il potere trasformativo della produzione additiva
L'implementazione della produzione additiva in vari settori industriali ne sottolinea la versatilità e il potenziale trasformativo. Esploriamo alcuni esempi:
1) Prodotti unici aerospaziali:
- Uno dei componenti AM di cui si parla di più nel settore aerospaziale è l'ugello del carburante LEAP di GE, prodotto utilizzando la tecnologia di fusione laser a letto di polvere, che accumula strati di polvere per creare un oggetto 3D. Con 1000 unità prodotte ogni anno, i risultati raggiunti sono impressionanti:
i) circa 25% di riduzione del peso
ii) circa 20 parti consolidate in una - La progettazione intricata dei canali interni e l'eliminazione delle giunzioni contribuiscono a migliorare durata e prestazioni. La sua implementazione è considerata una svolta nella produzione additiva di metalli e aerospaziale, aprendo la strada a un maggiore adattamento.
2) Ricambi per per il settore energia e oil & gas:
- Per i settori energetico, petrolifero e del gas è fondamentale garantire la fornitura tempestiva di pezzi di ricambio. Sulzer Ltd., OEM di pompe industriali, ha sviluppato una soluzione per produrre rapidamente in pochi giorni (anziché settimane) giranti per pompe chiuse. L’approccio combina il meglio tra produzione additiva e convenzionale:
i) Il nucleo della girante viene prodotto utilizzando la fresatura a 5 assi da una barra grezza.
ii) Successivamente, si passa a creare copertura e palette attraverso fasi iterative di deposizione laser di metallo (LMD) e lavorazione meccanica. - Utilizzando questo metodo, una girante per pompa chiusa può essere consegnata in meno di 2 settimane (rispetto a 15-20 settimane in produzione convenzionale). La finitura superficiale lavorata sulle superfici idrauliche comporta un miglioramento dell'efficienza fino al 3%, con notevole risparmio sulle emissioni legate al funzionamento della pompa.
3) Impianti medici biocompatibili:
- Stryker sfrutta la libertà di progettazione geometrica offerta dalla tecnologia AM per creare strutture porose che imitano l'osso spugnoso. La gabbia lombare anteriore (Monterey AL Interbody System) è realizzata in polvere di lega di titanio utilizzando la tecnologia di fusione laser a letto di polvere. La struttura porosa simile all'osso facilita l'attività osteogenica (costruzione dell'osso) e migliora l'integrazione dell'impianto.
4) Flessibilità e innovazione della supply chain:
- Durante la pandemia di Covid-19, diversi settori industriali hanno dovuto affrontare sfide critiche nella fornitura dei pezzi di ricambio. Ad esempio, Sulzer Ltd. negli USA è ricorso alla fabbricazione additiva per le parti di ricambio per il 1° stadio degli anelli dello statore della turbina a gas GE Frame 3 per una turbina a gas critica. Le soluzioni convenzionali non erano disponibili a causa della chiusura degli stabilimenti di fusione. Questi componenti AM sottoposti a reverse engineering hanno garantito il funzionamento continuo della turbina a gas, mantenendo operative le infrastrutture critiche durante la crisi, evidenziando come la produzione additiva possa garantire innovazione e flessibilità nella supply chain.
Affrontare le sfide: fattori chiave per il futuro della produzione additiva
Come molti altri settori, la produzione additiva si trova ad affrontare diverse sfide nella sua implementazione su larga scala. Per realizzare appieno il potenziale della produzione additiva è necessario esaminare i fattori chiave che ne abiliteranno lo sviluppo futuro:
1) Aspetti economici: l'investimento richiesto per avviare operazioni di produzione additiva può essere elevato, soprattutto se si considerano tutte le operazioni di post-elaborazione necessarie per rifinire i pezzi. Anche il costo dei materiali utilizzati nella produzione additiva può essere notevole, malgrado sia rassicurante constatare che l'introduzione di macchine più grandi e veloci sta migliorando l'aspetto economico complessivo.
2) Colmare il divario di competenze: affinché il settore AM cresca, è essenziale formare e addestrare professionisti qualificati. Molte università e istituti di formazione già offrono corsi dedicati alla produzione additiva ma l'esperienza pratica deve ancora essere pienamente allineata al potenziale di crescita del settore.
3) Proprietà intellettuale e dati: la proprietà intellettuale e la protezione dei dati restano argomenti molto dibattuti nel settore. Data la natura digitale del processo AM, i dati sono vulnerabili al furto o all'uso non autorizzato. Man mano che l'industria sviluppa soluzioni come i magazzini digitali, si stanno facendo progressi per affrontare questo problema. La produzione additiva genera inoltre un numero significativo di file digitali, il che richiede un'analisi e un'archiviazione approfondite dei dati. Per affrontare questa sfida si ricorre sempre più spesso a machine learning e AI.
4) Scalabilità, affidabilità e armonizzazione: adattare i processi AM dalla produzione di piccoli lotti a volumi più elevati è attualmente una sfida a causa di problemi di trasferibilità dei processi. La ricerca da parte del settore di differenziare le macchine AM ha portato problemi di trasferibilità dei processi e a una mancanza di standardizzazione. L'armonizzazione tra i diversi produttori di apparecchiature originali (OEM) è fondamentale per ridurre gli sforzi nel trasferimento e nel ridimensionamento dei processi AM. Malgrado la complessità, l’affidabilità e la disponibilità delle macchine AM stanno gradualmente migliorando, pur rimanendo indietro rispetto ai processi convenzionali.
5) Quadro regolatorio: i primi ad adottare la tecnologia AM, come l'industria aerospaziale, hanno compiuto passi da gigante nello sviluppo di standard e framework di certificazione per componenti e prodotti AM. Gli organismi internazionali di normazione stanno lavorando attivamente per colmare queste lacune. Attualmente gli utenti AM hanno a disposizione diversi standard che coprono molteplici aspetti della produzione e certificazione di componenti AM. Il comitato AMT/8 di BSI ha guidato lo sviluppo di diversi standard in collaborazione con ASTM e ISO. Tra gli standard principali rilasciati figurano:
- BS EN ISO/ASTM 52900 - Additive Manufacturing – Principi generali – Terminologia
- BS EN ISO/ASTM 52901 - Additive manufacturing - General principles - Requirements for purchased AM parts
- BS EN ISO/ASTM 52904 - Additive manufacturing - Caratteristiche di processo e prestazioni - Pratica per processi di fusione di letto di polvere per conformare ad applicazioni critiche
- BS EN ISO/ASTM 52925 - Additive manufacturing of polymers — Feedstock materials — Qualification of materials for laser-based powder bed fusion of parts
- Serie BS EN ASTM ISO/ASTM 52911 - Additive manufacturing - Progettazione - Parte 1: Fusione laser di letto di polvere di metallo
In sintesi, la produzione additiva è destinata a rivoluzionare il settore manifatturiero, offrendo opportunità senza precedenti in termini di innovazione, personalizzazione e sostenibilità. Tuttavia, per realizzarne appieno il potenziale servono sforzi concertati per superare le sfide tecniche, economiche e normative, promuovendo al contempo una cultura di innovazione e collaborazione tra i settori industriali.
