mercoledì 05 Ott, 2022

Dalla prototipazione rapida alla produzione industriale

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Dalla prototipazione rapida alla produzione industriale

DALLA PROTOTIPAZIONE RAPIDA ALLA PRODUZIONE INDUSTRIALE: LE NUOVE FRONTIERE DELL’ADDITIVE MANUFACTURING

La stampa 3D, nota anche come fabbricazione additiva (Additive Manufactoring, AM), ha fatto molta strada da quando è stata sviluppata per la prima volta negli anni 80. Se questa tecnologia è nata come strumento per la prototipazione rapida, oggi si è evoluta fino a coprire una serie di tecnologie diverse per applicazioni industriali.

I vantaggi

Infatti, indipendentemente dal settore, la produzione di beni industriali comporta un notevole dispendio di denaro per la ricerca e lo sviluppo, dato che i beni stessi vengono sottoposti a numerose iterazioni (ripetizione di processo, ndr) dalla fase iniziale di progettazione a quella finale di produzione.
Per ridurre i costi e stare al passo con la domanda del mercato, il processo deve essere economico e rapido, e la stampa 3D è ideale per questo scopo. Un altro vantaggio riguarda la capacità di fabbricare componenti con un design complesso. La fabbricazione additiva può infatti produrre componenti con minori restrizioni di progettazione, difficili da realizzare con i processi produttivi tradizionali. Questa flessibilità progettuale apre la strada all’innovazione, rendendo possibile l’aggiunta di funzionalità avanzate e geometrie complesse altrimenti non realizzabili. Inoltre, le nuove tecnologie di AM sono sempre più in grado di produrre parti multi materiale con proprietà modulabili, quali la conducibilità elettrica e la resistenza meccanica. La stampa 3D facilita anche la produzione on-demand di qualsiasi prodotto con una struttura dei costi controllata e tempi di consegna fissi, il che migliora significativamente il tasso di produzione riducendo i tempi di progettazione e lancio. Infine, un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che i componenti possono essere facilmente prodotti con diversi materiali di stampa 3D e nel volume desiderato direttamente dall’inventario digitale di un produttore o dal modello CAD di un cliente. Questo trasforma la catena di fornitura e consente ai produttori di soddisfare istantaneamente le richieste.

Le applicazioni

Una delle principali applicazioni della stampa 3D nel settore industriale è l’utensileria, che prevede la stampa di maschere, attrezzature e calibri leggeri e resistenti. Anche gli stampi per lo stampaggio a iniezione possono essere facilmente prodotti con l’aiuto della fabbricazione additiva in metallo. La produzione di stampi richiede molto tempo e iterazioni di progettazione. Tuttavia, grazie alla capacità della stampa 3D di realizzare design complessi, i sistemi convenzionali di raffreddamento degli stampi possono essere ad esempio sostituiti da canali di raffreddamento avanzati che ne vanno a migliorare l’efficienza. Un settore in cui la fabbricazione additiva sta prendendo piede è quello dell’industria aerospaziale. In questo settore vigono alcuni degli standard di prestazione più severi, che richiedono la resistenza dei componenti in condizioni difficili. Gli ingegneri che progettano e producono componenti per piattaforme aerospaziali commerciali e militari hanno bisogno di componenti idonei al volo realizzati con materiali ad alte prestazioni. Tra le applicazioni più comuni vi sono i componenti per gli interni dei velivoli, le componenti dei motori a turbina, i rivestimenti dei combustori e i serbatoi di olio e carburante. La stampa 3D consente di ottenere parti complesse e compatte con un’elevata resistenza. Una minore quantità di materiale e un design compatto si traducono in una riduzione del peso complessivo, uno dei fattori più importanti nella produzione per il settore aerospaziale. Anche il settore medicale è in rapida evoluzione e sta utilizzando soluzioni basate su AM per offrire progressi a medici, pazienti e istituti di ricerca. I produttori del settore medico utilizzano l’ampia gamma di materiali per stampa 3D ad alta resistenza e biocompatibili, da rigidi a flessibili, da opachi a trasparenti, per personalizzare i prodotti come mai prima d’ora. Dai prototipi funzionali e dai modelli anatomici fedeli alla realtà ai componenti di tipo chirurgico, la fabbricazione additiva sta aprendo le porte a progressi inaspettati per i dispositivi medici. Alcune applicazioni sono i dispositivi per impianti ortopedici, i dispositivi dentali, i modelli pre-operatori ricavati da TAC, le guide per trapani personalizzate, le custodie e la strumentazione chirurgica specializzata. Un altro settore è quello dei trasporti, il quale ha bisogno di componenti in grado di resistere ai test di sicurezza più severi. Grazie a un’ampia gamma di materiali robusti e resistenti alle alte temperature, e alla capacità di costruire geometrie molto complesse, le aziende del settore dei trasporti stanno esplorando ciò che può essere prodotto in modo additivo per i loro veicoli. In particolare, nel settore automobilistico hanno iniziato a sviluppare strutture compatte e leggere che consentano di ottenere veicoli più efficienti. Alcune delle applicazioni includono condotti complessi che non possono essere fabbricati con i metodi di produzione convenzionali, prototipi resilienti, modelli elastomerici (l’elastomero è una sostanza elastica, ndr), elementi interni personalizzati e pannelli di grandi dimensioni. Una delle applicazioni più interessanti realizzate oggi è poi l’opportunità di riprodurre parti di ricambio per il restauro di auto d’epoca.

Nel settore energetico, invece, è importante sviluppare rapidamente componenti su misura e strategici, in grado di resistere a condizioni estreme. I progressi della manifattura additiva nella produzione di componenti efficienti, leggeri e con materiali ecocompatibili forniscono risposte a diverse esigenze nel campo. Alcune applicazioni chiave emerse nell’industria del gas, del petrolio e dell’energia includono rotori, statori, iniettori di turbine, componenti e strumenti di perforazione, parti di misuratori di portata, componenti di valvole di controllo e collettori di pompe. Con lo sviluppo di materiali metallici resistenti alla corrosione per le parti personalizzate che devono essere esposte all’acqua o ad altri ambienti ostili, le principali aziende del settore energetico potranno così sfruttare le potenzialità della produzione additiva. Infine, considerando il settore del marketing, il tempo necessario per formulare un’idea e consegnarla al mercato è tutto. Parte di questo tempo consiste nel simulare l’aspetto e la funzionalità del prodotto finale durante le revisioni del design per dimostrare le idee alle principali parti interessate. I produttori di beni di consumo hanno adottato la stampa 3D per sviluppare prototipi e modificarne rapidamente il design. La stampa 3D è ottima per produrre elettronica di consumo nelle prime fasi del ciclo di vita del prodotto, con estetica e funzionalità realistiche. Gli articoli sportivi hanno beneficiato di prototipi consegnati rapidamente e con dettagli accurati. Altre applicazioni di successo sono gli oggetti di scena e i costumi per l’intrattenimento, e i modelli architettonici finemente dettagliati. Con il progredire della tecnologia di stampa 3D in termini di velocità e volume di costruzione, un numero sempre maggiore di prodotti di consumo potrebbe rivolgersi alla produzione additiva per soddisfare le esigenze di grandi volumi.

Innovazione a tutto tondo

Le applicazioni industriali evidenziate dimostrano il valore della stampa 3D nei flussi di lavoro di produzione esistenti. I fattori alla base di questa transizione sono molteplici, ma possono essere ampiamente riassunti in due gruppi:
• Innovazione di processo: si riferisce alla maggiore flessibilità e dinamicità che la stampa 3D apporta alla produzione e alle catene di fornitura.
• Innovazione di prodotto: si riferisce alle maggiori possibilità di progettazione per creare parti e prodotti innovativi.
La stampa 3D ha così fatto passi da gigante, lasciando presagire opportunità ancora più interessanti all’orizzonte. Attualmente il potenziale della tecnologia sta iniziando a essere pienamente sfruttato e man mano che le aziende di tutti i settori si orienteranno sempre di più verso una produzione digitale più intelligente, l’importanza della stampa 3D industriale continuerà a crescere.

GLI AUTORI

Gabriele Maria Fortunato è un ricercatore Post-Doc presso il Centro di Ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa. I suoi interessi di ricerca sono focalizzati principalmente sull’applicazione delle tecnologie di fabbricazione additiva al campo biomedicale, sulla caratterizzazione di biomateriali e sullo sviluppo di dispositivi medici.


Carmelo De Maria è un ricercatore di Tipo B in Bioingegneria presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa ed affiliato a Centro di Ricerca “E. Piaggio” della stessa Università. La sua ricerca si svolge nell’ambito dell’additive manufacturing applicato al settore biomedicale, per lo sviluppo di dispositivi medici ed organi in vitro (Bioprinting).

 

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