La produzione additiva, nota anche come stampa 3D, si è evoluta costantemente negli ultimi 35 anni, sin dalla sua introduzione sul mercato. I settori aerospaziale, automobilistico, della difesa, energetico, dei trasporti, medico, odontoiatrico e dei beni di consumo utilizzano la produzione additiva per un'ampia gamma di applicazioni.
Data la sua ampia diffusione, è chiaro che la produzione additiva non è una soluzione universale. Secondo lo standard terminologico ISO/ASTM 52900, quasi tutti i sistemi di produzione additiva commerciali rientrano in una delle sette categorie di processo. Queste includono l'estrusione di materiale (MEX), la fotopolimerizzazione in bagno (VPP), la fusione a letto di polvere (PBF), la spruzzatura di legante (BJT), la spruzzatura di materiale (MJT), la deposizione di energia diretta (DED) e la laminazione a fogli (SHL). Qui sono ordinate per popolarità in base alle unità vendute.
Un numero crescente di professionisti del settore, tra cui ingegneri e manager, sta imparando quando la produzione additiva può contribuire a migliorare un prodotto o un processo e quando invece non può. Storicamente, le principali iniziative per l'implementazione della produzione additiva sono partite da ingegneri con esperienza nella tecnologia. Il management sta ora riscontrando sempre più esempi di come la produzione additiva possa migliorare la produttività, ridurre i tempi di consegna e creare nuove opportunità di business. La produzione additiva non sostituirà la maggior parte delle forme tradizionali di produzione, ma diventerà parte integrante dell'arsenale di strumenti a disposizione degli imprenditori per lo sviluppo di prodotti e la produzione.
La produzione additiva ha una vasta gamma di applicazioni, dalla microfluidica all'edilizia su larga scala. I vantaggi della produzione additiva variano a seconda del settore, dell'applicazione e delle prestazioni richieste. Le organizzazioni devono avere validi motivi per implementare la produzione additiva, indipendentemente dal caso d'uso. I più comuni sono la modellazione concettuale, la verifica del progetto e la verifica di idoneità e funzionalità. Sempre più aziende la utilizzano per creare strumenti e applicazioni per la produzione di massa, compreso lo sviluppo di prodotti personalizzati.
Per le applicazioni aerospaziali, il peso è un fattore cruciale. Secondo il Marshall Space Flight Center della NASA, il costo per mettere in orbita terrestre un carico utile di 0,45 kg si aggira intorno ai 10.000 dollari. Ridurre il peso dei satelliti può comportare un risparmio sui costi di lancio. L'immagine allegata mostra un componente metallico realizzato con la manifattura additiva (AM) per il modello Swissto12, che integra diverse guide d'onda in un unico pezzo. Grazie alla manifattura additiva, il peso si riduce a meno di 0,08 kg.
La produzione additiva è utilizzata lungo tutta la catena del valore nel settore energetico. Per alcune aziende, il vantaggio competitivo derivante dall'utilizzo della produzione additiva risiede nella possibilità di iterare rapidamente i progetti per creare il miglior prodotto possibile nel minor tempo possibile. Nell'industria petrolifera e del gas, i componenti o gli assemblaggi danneggiati possono costare migliaia di dollari o più in termini di perdita di produttività oraria. L'utilizzo della produzione additiva per ripristinare le operazioni può quindi risultare particolarmente vantaggioso.
MX3D, importante produttore di sistemi DED, ha presentato un prototipo di strumento per la riparazione di tubazioni. Secondo l'azienda, la riparazione di una conduttura danneggiata può costare tra i 100.000 e 1.000.000 di euro (113.157-1.131.570 dollari) al giorno. Il dispositivo mostrato nella pagina successiva utilizza un componente lavorato a CNC come telaio e impiega la tecnologia DED per saldare la circonferenza del tubo. La produzione additiva (AM) offre elevati tassi di deposizione con sprechi minimi, mentre la lavorazione CNC garantisce la precisione necessaria.
Nel 2021, un rivestimento per il circuito idraulico stampato in 3D è stato installato su una piattaforma petrolifera di TotalEnergies nel Mare del Nord. I circuiti idraulici sono un elemento fondamentale per il controllo del recupero degli idrocarburi nei pozzi in costruzione. In questo caso, i vantaggi derivanti dall'utilizzo della produzione additiva si traducono in tempi di realizzazione ridotti e in una riduzione delle emissioni del 45% rispetto ai tradizionali circuiti idraulici forgiati.
Un altro vantaggio della produzione additiva è la riduzione dei costi degli utensili. Phone Scope ha sviluppato adattatori per digiscoping, dispositivi che collegano la fotocamera del telefono a un telescopio o a un microscopio. Ogni anno vengono lanciati nuovi telefoni, il che obbliga le aziende a sviluppare una nuova linea di adattatori. Grazie alla produzione additiva, un'azienda può risparmiare sui costosi utensili che devono essere sostituiti a ogni nuova uscita.
Come per qualsiasi processo o tecnologia, la produzione additiva non dovrebbe essere utilizzata solo perché considerata nuova o diversa. Il suo scopo è migliorare lo sviluppo del prodotto e/o i processi produttivi, apportando valore aggiunto. Esempi di altri casi d'uso includono prodotti personalizzati e personalizzazione di massa, funzionalità complesse, componenti integrati, riduzione del materiale e del peso, e miglioramento delle prestazioni.
Affinché la manifattura additiva (AM) possa realizzare il suo potenziale di crescita, è necessario affrontare alcune sfide. Per la maggior parte delle applicazioni manifatturiere, il processo deve essere affidabile e riproducibile. I successivi metodi di automazione della rimozione del materiale da parti e supporti e della post-elaborazione saranno di aiuto. L'automazione, inoltre, aumenta la produttività e riduce il costo per pezzo.
Uno dei settori di maggiore interesse è l'automazione delle fasi di post-lavorazione, come la rimozione delle polveri e la finitura. Automatizzando il processo di produzione in serie, la stessa tecnologia può essere replicata migliaia di volte. Il problema è che i metodi di automazione specifici possono variare a seconda del tipo di pezzo, delle dimensioni, del materiale e del processo. Ad esempio, la post-lavorazione automatizzata delle corone dentali è molto diversa dalla lavorazione dei componenti dei motori a razzo, sebbene entrambi possano essere realizzati in metallo.
Poiché i componenti sono ottimizzati per la produzione additiva, spesso vengono aggiunte funzionalità più avanzate e canali interni. Per la tecnologia PBF (Powder-Based Fusion), l'obiettivo principale è rimuovere il 100% della polvere. Solukon produce sistemi automatici di rimozione della polvere. L'azienda ha sviluppato una tecnologia chiamata Smart Powder Recovery (SRP) che ruota e vibra i componenti metallici ancora attaccati alla piastra di costruzione. La rotazione e la vibrazione sono controllate dal modello CAD del componente. Muovendo e vibrando con precisione i componenti, la polvere catturata fluisce quasi come un liquido. Questa automazione riduce il lavoro manuale e può migliorare l'affidabilità e la riproducibilità della rimozione della polvere.
I problemi e le limitazioni della rimozione manuale delle polveri possono limitare la fattibilità dell'utilizzo della manifattura additiva (AM) per la produzione di massa, anche in piccole quantità. I ​​sistemi di rimozione delle polveri metalliche di Solukon possono operare in atmosfera inerte e raccogliere le polveri non utilizzate per il riutilizzo nelle macchine AM. Solukon ha condotto un sondaggio tra i clienti e pubblicato uno studio nel dicembre 2021 che ha evidenziato come le due principali preoccupazioni siano la salute sul lavoro e la riproducibilità.
La rimozione manuale della polvere dalle strutture in resina PBF può richiedere molto tempo. Aziende come DyeMansion e PostProcess Technologies stanno sviluppando sistemi di post-elaborazione per rimuovere automaticamente la polvere. Molti componenti realizzati con la produzione additiva possono essere caricati in un sistema che capovolge ed espelle il materiale per rimuovere la polvere in eccesso. HP ha un proprio sistema che, a quanto pare, rimuove la polvere dalla camera di costruzione della Jet Fusion 5200 in 20 minuti. Il sistema immagazzina la polvere non fusa in un contenitore separato per il riutilizzo o il riciclo in altre applicazioni.
Le aziende possono trarre vantaggio dall'automazione se questa può essere applicata alla maggior parte delle fasi di post-elaborazione. DyeMansion offre sistemi per la rimozione delle polveri, la preparazione delle superfici e la verniciatura. Il sistema PowerFuse S carica i pezzi, li tratta con il vapore e li scarica. L'azienda fornisce un supporto in acciaio inossidabile per appendere i pezzi, operazione che viene eseguita manualmente. Il sistema PowerFuse S è in grado di produrre una superficie simile a quella ottenuta con uno stampaggio a iniezione.
La sfida più grande per il settore è comprendere le reali opportunità offerte dall'automazione. Se è necessario produrre un milione di componenti in polimero, i processi tradizionali di fusione o stampaggio potrebbero essere la soluzione migliore, anche se ciò dipende dal componente. La produzione additiva (AM) è spesso disponibile per la prima serie di produzione, in particolare per la realizzazione e il collaudo degli stampi. Grazie alla post-elaborazione automatizzata, è possibile produrre migliaia di componenti in modo affidabile e riproducibile utilizzando la produzione additiva, ma si tratta di una soluzione specifica per ogni componente e potrebbe richiedere una soluzione personalizzata.
La manifattura additiva non ha nulla a che vedere con l'industria. Molte organizzazioni presentano interessanti risultati di ricerca e sviluppo che possono portare al corretto funzionamento di prodotti e servizi. Nel settore aerospaziale, Relativity Space produce uno dei più grandi sistemi di manifattura additiva di metalli utilizzando la tecnologia proprietaria DED, che l'azienda spera di utilizzare per la produzione della maggior parte dei suoi razzi. Il suo razzo Terran 1 può trasportare un carico utile di 1.250 kg in orbita terrestre bassa. Relativity prevede di lanciare un razzo di prova a metà del 2022 e sta già progettando un razzo più grande e riutilizzabile chiamato Terran R.
I razzi Terran 1 e R di Relativity Space rappresentano un modo innovativo di reinventare il futuro dei viaggi spaziali. La progettazione e l'ottimizzazione per la produzione additiva hanno suscitato grande interesse in questo sviluppo. L'azienda afferma che questo metodo riduce il numero di componenti di 100 volte rispetto ai razzi tradizionali. Sostiene inoltre di poter produrre razzi a partire da materie prime in soli 60 giorni. Questo è un ottimo esempio di come combinare molte parti in una sola, semplificando notevolmente la catena di approvvigionamento.
Nell'industria dentale, la produzione additiva viene utilizzata per realizzare corone, ponti, dime chirurgiche per la perforazione, protesi parziali e allineatori. Align Technology e SmileDirectClub utilizzano la stampa 3D per produrre componenti per la termoformatura di allineatori in plastica trasparente. Align Technology, produttore dei prodotti a marchio Invisalign, utilizza molti dei sistemi di fotopolimerizzazione presenti nelle vasche di 3D Systems. Nel 2021, l'azienda ha dichiarato di aver trattato oltre 10 milioni di pazienti da quando ha ricevuto l'approvazione della FDA nel 1998. Se il trattamento di un paziente tipico consiste in 10 allineatori, una stima per difetto, l'azienda ha prodotto 100 milioni o più di componenti realizzati con la produzione additiva. I componenti in FRP (polimero rinforzato con fibra di vetro) sono difficili da riciclare perché sono termoindurenti. SmileDirectClub utilizza il sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) per produrre componenti termoplastici che possono essere riciclati per altre applicazioni.
Storicamente, il VPP non è stato in grado di produrre componenti sottili e trasparenti con proprietà di resistenza adatte all'utilizzo in apparecchi ortodontici. Nel 2021, LuxCreo e Graphy hanno presentato una possibile soluzione. A febbraio, Graphy ha ottenuto l'approvazione della FDA per la stampa 3D diretta di apparecchi dentali. Stampandoli direttamente, l'intero processo risulta più breve, più semplice e potenzialmente meno costoso.
Uno dei primi sviluppi che ha ricevuto molta attenzione mediatica è stato l'utilizzo della stampa 3D per applicazioni edili su larga scala, come le abitazioni. Spesso le pareti della casa vengono stampate per estrusione, mentre tutte le altre parti, inclusi pavimenti, soffitti, tetti, scale, porte, finestre, elettrodomestici, armadi e piani di lavoro, vengono realizzate con metodi e materiali tradizionali. Le pareti stampate in 3D possono aumentare i costi di installazione di impianti elettrici, illuminazione, idraulici, canalizzazioni e bocchette per il riscaldamento e l'aria condizionata. Rifinire gli interni e gli esterni di una parete in cemento è più complesso rispetto a una parete realizzata con metodi tradizionali. Anche la modernizzazione di un'abitazione con pareti stampate in 3D rappresenta un aspetto importante da considerare.
I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory stanno studiando come immagazzinare energia nelle pareti stampate in 3D. Inserendo dei tubi nella parete durante la costruzione, l'acqua può fluire al suo interno per il riscaldamento e il raffreddamento. Questo progetto di ricerca e sviluppo è interessante e innovativo, ma si trova ancora in una fase iniziale di sviluppo. Questo progetto di ricerca e sviluppo è interessante e innovativo, ma si trova ancora in una fase iniziale di sviluppo.Questo progetto di ricerca è interessante e innovativo, ma è ancora nelle fasi iniziali di sviluppo.Questo progetto di ricerca è interessante e innovativo, ma è ancora nelle prime fasi di sviluppo.
La maggior parte di noi non ha ancora familiarità con gli aspetti economici della stampa 3D di componenti edili o altri oggetti di grandi dimensioni. Questa tecnologia è stata utilizzata per produrre ponti, tettoie, panchine e elementi decorativi per edifici e spazi esterni. Si ritiene che i vantaggi della produzione additiva su piccola scala (da pochi centimetri a diversi metri) si applichino anche alla stampa 3D su larga scala. I principali benefici della produzione additiva includono la possibilità di creare forme e caratteristiche complesse, ridurre il numero di componenti, diminuire il consumo di materiale e il peso, e aumentare la produttività. Se la produzione additiva non apporta valore aggiunto, la sua utilità dovrebbe essere messa in discussione.
Nell'ottobre 2021, Stratasys ha acquisito la restante quota del 55% di Xaar 3D, una filiale del produttore britannico di stampanti a getto d'inchiostro industriali Xaar. La tecnologia PBF (Polymer Biofluor Fusion) di Stratasys, denominata Selective Absorbion Fusion, si basa sulle testine di stampa a getto d'inchiostro di Xaar. La stampante Stratasys H350 compete con il sistema HP MJF.
L'acquisizione di Desktop Metal è stata un'operazione di grande rilievo. Nel febbraio 2021, l'azienda ha acquisito Envisiontec, produttore di lunga data di sistemi di produzione additiva industriale. Nel maggio 2021, ha acquisito Adaptive3D, sviluppatore di polimeri VPP flessibili. Nel luglio 2021, Desktop Metal ha acquisito Aerosint, sviluppatore di processi di riverniciatura a polvere multimateriale. L'acquisizione più importante è avvenuta ad agosto, quando Desktop Metal ha rilevato la concorrente ExOne per 575 milioni di dollari.
L'acquisizione di ExOne da parte di Desktop Metal unisce due rinomati produttori di sistemi BJT in metallo. In generale, la tecnologia non ha ancora raggiunto il livello che molti si aspettano. Le aziende continuano ad affrontare problematiche quali la ripetibilità, l'affidabilità e la comprensione delle cause profonde dei problemi man mano che si presentano. Ciononostante, se questi problemi venissero risolti, la tecnologia avrebbe ancora il potenziale per raggiungere mercati più ampi. Nel luglio 2021, 3DEO, un fornitore di servizi che utilizza un sistema di stampa 3D proprietario, ha annunciato di aver spedito il milionesimo dispositivo ai propri clienti.
Gli sviluppatori di software e piattaforme cloud hanno registrato una crescita significativa nel settore della produzione additiva. Ciò è particolarmente vero per i sistemi di gestione delle prestazioni (MES) che tracciano la catena del valore della produzione additiva. 3D Systems ha concordato l'acquisizione di Oqton nel settembre 2021 per 180 milioni di dollari. Fondata nel 2017, Oqton fornisce soluzioni basate su cloud per migliorare il flusso di lavoro e l'efficienza della produzione additiva. Materialize ha acquisito Link3D nel novembre 2021 per 33,5 milioni di dollari. Come Oqton, la piattaforma cloud di Link3D traccia il lavoro e semplifica il flusso di lavoro della produzione additiva.
Una delle acquisizioni più recenti del 2021 è quella di Wohlers Associates da parte di ASTM International. Insieme, le due aziende stanno lavorando per sfruttare il marchio Wohlers e promuovere una maggiore diffusione della manifattura additiva (AM) a livello globale. Attraverso l'ASTM AM Center of Excellence, Wohlers Associates continuerà a pubblicare report e altre pubblicazioni a marchio Wohlers, oltre a fornire servizi di consulenza, analisi di mercato e formazione.
Il settore della produzione additiva è ormai maturo e molte industrie utilizzano questa tecnologia per un'ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, la stampa 3D non sostituirà la maggior parte delle altre forme di produzione. Viene invece utilizzata per creare nuovi tipi di prodotti e modelli di business. Le aziende utilizzano la produzione additiva per ridurre il peso dei componenti, i tempi di consegna e i costi degli stampi, nonché per migliorare la personalizzazione e le prestazioni dei prodotti. Si prevede che il settore della produzione additiva continuerà la sua traiettoria di crescita, con l'emergere, spesso a ritmi vertiginosi, di nuove aziende, prodotti, servizi, applicazioni e casi d'uso.