Additive Manufacturing

L’IMPORTANZA DELL’ADDITIVE MANUFACTURING PER LA SOSTENIBILITÀ DEI PROCESSI PRODUTTIVI

Le tecnologie di Additive Manufacturing (AM), comunemente e collettivamente note con il termine stampa 3D, hanno cambiato negli ultimi due decenni il modo in cui vengono sviluppati i prodotti e hanno avuto un impatto trasformativo in diversi settori. La maggior parte della ricerca nel campo dell’AM si è concentrata sul miglioramento degli aspetti tecnici delle diverse tecnologie e sulla ricerca di applicazioni industriali, ma le prestazioni e il loro impatto ambientale non sono stati ancora completamente affrontati.
Con la sua pubblicazione Stampa 3D ed ecologia industriale”, Reid Lifset ha contribuito a evidenziare il potenziale vantaggioso della stampa 3D, e delle tecnologie di manifattura additiva in generale, per ridurre al minimo l’impatto ambientale nello sviluppo dei prodotti.

Come illustrato anche dal ricercatore della School of Forestry & Environmental Studies di Yale, Infatti, la stampa 3D può considerarsi eco-sostenibile, per le seguenti ragioni:
– promuove la produzione localizzata, contribuendo così alla riduzione delle emissioni derivanti dal trasporto delle merci;
– fornisce maggiore disponibilità di parti di ricambio, di conseguenza, contribuisce a limitare le strumentazioni da smaltire;
– riduce lo spreco di materie prime rispetto alle tradizionali tecnologie di fabbricazione sottrattiva basate sulla rimozione di materiale in eccesso. Infatti, sebbene le tecnologie additive prevedano l’utilizzo di materiali di supporto che costituiscono un rifiuto del processo di fabbricazione, questi possono essere riciclati per produrre nuovo materiale per la stampa 3D;
– prevede la possibilità di produrre componenti leggere grazie alla capacità di generare geometrie di riempimento complesse che consentono di ridurre il materiale utilizzato e dunque il peso dell’oggetto finale. Questo risulterebbe di notevole importanza in applicazioni aerospaziali, garantendo una diminuzione delle emissioni di carburante e gas serra.

Uno degli esempi di come le strategie di stampa possano trasformare una tecnologia consolidata rendendola più sostenibile è fornito dal lavoro del ricercatore del Politecnico di Madrid Adrian Martinez Cendrero sulla tecnologia di Fused Deposition Modelling (FDM). Questo approccio, che prevede l’estrusione di materiali plastici sotto forma di filamenti deposti strato per strato, è quello più conosciuto al grande pubblico, e si trova nelle stampanti disponibili anche nella grande distribuzione. L’FDM, nonostante la sua importanza come strumento di promozione della creatività e tecnologia di prototipazione a prezzi accessibili, presenta ancora alcuni inconvenienti che ne limitano l’impatto industriale e l’applicazione a prodotti finali di alta qualità. Ad esempio, l’approccio strato per strato è intrinsecamente anisotropo, ovvero comporta delle proprietà degli oggetti fabbricati non uniformi, in quanto dipendenti dalla direzione di stampa e porta a disomogeneità superficiali chiaramente visibili. Inoltre, l’adesione tra gli strati è talvolta non ottimale, a seconda dei materiali, delle condizioni di lavorazione e delle macchine impiegate, e può portare a limitazioni e difetti meccanici. C’è poi la necessità di strutture di supporto, tipica di questa tecnologia, che se non adeguatamente gestita, può introdurre importanti impatti ambientali rispetto ad altre a base di polveri e con un minore requisito di supporti.

La stampa 3D non planare

Questi aspetti sono particolarmente critici nelle configurazioni più economiche delle macchine FDM che, d’altra parte, si stanno rivelando le più trasformative in termini di democratizzazione della tecnologia. Studi recenti hanno evidenziato i vantaggi nel realizzare gli strati finali di un oggetto stampato in 3D seguendone il profilo esterno attraverso percorsi non planari, per migliorarne la qualità della superficie e le proprietà meccaniche.
Tuttavia, i potenziali benefici ambientali del passaggio a processi di stampa 3D non planari non erano ancora stati analizzati. I ricercatori hanno quindi sfruttato un algoritmo di deposizione che non segue più un approccio strato per strato, ma traiettorie curvilinee nello spazio, cercando di dimostrarne i potenziali vantaggi rispetto alla stampa 3D convenzionale, in termini di miglioramento dell’impatto ambientale.

A tal fine, è stato sviluppato un caso studio di una soletta per scarpe sportive, classificata come dispositivo medico o ergonomico. Ai fini comparativi dello studio sono stati applicati tre metodi di stampa. Il primo si basa su una strategia di deposizione non planare su uno supporto riutilizzabile, anch’esso realizzato con superficie non planare; il secondo segue a sua volta una strategia non planare, ma con strutture di supporto convenzionali; il terzo corrisponde allo stato dell’arte della stampa 3D, che impiega percorsi di stampa 2D su strutture di supporto convenzionali realizzate planarmente. Il primo metodo, garantendo una buona qualità superficiale del supporto, ne consente il riutilizzo per la realizzazione di più solette. Ciò comporta un notevole risparmio di materiali, tempo e costi, che è chiaramente collegato a un miglioramento dell’impatto ambientale. Inoltre, la qualità della superficie finale migliora, in quanto si evitano i tipici segni, le bave e le spine lasciate sulla superficie degli oggetti dopo la rimozione dei supporti. Dopo aver stampato più di 10 solette sullo stampo di prova, le superfici esterne del supporto sono risultate in perfette condizioni e non sono state evidenziate discrepanze geometriche o difetti dopo un uso ripetuto.

Si stima che questo oggetto possa resistere a cicli di produzione di oltre 50 unità, rendendo così la stampa 3D utilizzabile per la produzione di oggetti in serie. I risultati ottenuti sono in linea con altri studi sulla valutazione dell’impatto ambientale della FDM, che hanno evidenziato la rilevanza del consumo energetico durante la stampa, direttamente collegato al tempo di stampa. Il fatto che il primo metodo contribuisca a ridurre notevolmente i tempi di produzione è direttamente collegato alla produzione sostenibile. Per quanto riguarda il termine più ampio di sostenibilità aziendale, la stampa 3D non planare può essere considerata parte delle tecnologie di Industria 4.0 e ha il potenziale per trasformare diversi modelli di business, modificare la catena di fornitura, ridurre al minimo il consumo di materiali, promuovere la personalizzazione dei dispositivi e, in generale, contribuire a controllare gli impatti ambientali legati alla produzione. In futuro saranno condotti ulteriori studi comparativi con processi di produzione di massa più tradizionali, per studiare le dimensioni dei lotti fino alle quali la FDM può risultare competitiva con i processi di stampaggio a iniezione o a compressione, sia in termini di costi di produzione che di effetti ambientali.