Additive Manufacturing: la tecnologia che cambia il punto di vista sulla produzione

Le numerose soluzioni offerte dall’Additive Manufacturing, anche per prodotti funzionali definitivi, vengono da tempo sfruttate dalle industrie più complesse ed esigenti, ma possono migliorare ed integrare prodotti e processi produttivi in svariati settori. Dalla libertà di progettazione, all’alleggerimento dei componenti, al differente modo di concepire l’uso dei materiali, l’Additive Manufacturing promette di svolgere un ruolo fondamentale nell’evoluzione dell’industria manifatturiera.

Che cos'è l'Additive Manufacturing o stampa 3D?
Il vocabolario Merriam-Webster riporta la seguente definizione:

La produzione di oggetti solidi mediante la deposizione di strati di materiale (come ad esempio la plastica) secondo le specifiche che sono archiviate e visualizzate in forma elettronica come modello digitale.

Additive Manufacturing con polimeri, tecnologia SLS

L’Additive Manufacturing, o manifattura additiva, è dunque un metodo di fabbricazione che direttamente da file, o meglio, da un modello CAD, produce oggetti aggiungendo materiale uno strato alla volta: a differenza del tradizionale processo sottrattivo, in cui da un blocco di materia prima si rimuove via via il materiale in eccesso fino ad ottenere il risultato richiesto, con l’Additive Manufacturing il materiale viene aggiunto e ogni strato successivo si unisce a quello precedente fino a completamento dell’oggetto.

Con un ampio ventaglio di materiali disponibili, dalla plastica ai compositi, dai metalli alle resine, la tecnologia di stampa 3D, o produzione additiva, comprende diverse tecnologie (Additive Manufacturing technologies) accomunate proprio dal principio della produzione di oggetti 3D strato su strato: il materiale viene dunque selettivamente depositato un layer alla volta. Se in passato l’Additive Manufacturing era il riferimento per la produzione a fini prototipali, oggi le possibilità di applicazione sono pressoché illimitate, anche in settori particolarmente complessi ed esigenti come l’aerospazio, la difesa, l’automotive, il racing ed il biomedicale.

Possiamo suddividere le tecnologie di fabbricazione additiva in base alla tipologia di materiale utilizzato: metallo e plastiche o polimeri.

La stampa 3D dei metalli

Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un notevole sviluppo di quelle che in generale vengono definite "direct metal technologies", tecnologie dove una polvere di metallo viene fusa o sinterizzata tramite un laser per ottenere un oggetto 3D.

Per la produzione di elementi definitivi le tecnologie di stampa 3D diretta dei metalli DMLS/SLM risultano la scelta migliore. L'Additive Manufacturing con polveri metalliche permette di calcolare geometrie, anche molto complesse, studiate per guadagnare sensibilmente in leggerezza, mantenendo intatta la resistenza e garantendo le proprietà richieste dal progetto. I progettisti possono inoltre sfruttare la libertà progettuale permessa da questa modalità produttiva per incrementare e migliorare funzionalità e performance dell’oggetto da produrre.

Additive Manufacturing con metalli - banco motore

Additive manufacturing DMLS/SLM - Direct Metal Laser Sintering e Selective Laser Melting

Nella sinterizzazione laser diretta del metallo DMLS/SLM, un sottile strato di polvere metallica viene fuso o sinterizzato da un laser che si muove in modo lento e costante, si prosegue quindi con ulteriori strati di polvere che vengono applicati e sinterizzati “stampando” l'oggetto una sezione alla volta attraverso graduali sovrapposizioni di strati molto sottili. I principali vantaggi della tecnologia DMLS/SLM sono poter produrre oggetti privi di stress residui e difetti interni e la possibilità di utilizzare un ampio numero di leghe metalliche; i materiali disponibili sono infatti vari ed in grado di rispondere alle richieste specifiche di molti progetti, si tratta di leghe di acciaio, alluminio, titanio, rame, cromo-cobalto e molti altri.

La stampa 3D di plastiche, polimeri e resine

Additive Manufacturing SLS - Selective Laser Sintering

Nella fusione laser selettiva, SLS, un laser ad alta potenza fonde gli strati del materiale in polvere, solitamente nylon o una poliammide. I materiali utilizzati per questa tecnologia, largamente sfruttata nei settori critici, sono estremamente performanti e includono nylon caricati, per esempio con carbonio o alluminio, e materiali termoplastici.

Additive Manufacturing FDM - Fused deposition modeling

La modellazione a deposizione fusa, FDM, è una tecnologia additiva che utilizza filamenti plastici. I filamenti passano attraverso un ugello riscaldato di estrusione che scioglie il materiale e lo deposita seguendo il percorso indicato dal file di progettazione, consentendo infinite possibilità di modellazione e un elevato grado di precisione, anche per componenti definitivi pronti per l’utilizzo in molti settori industriali.

Additive Manufacturing - Personale specializzato

Additive Manufacturing Polyjet (Objet)

La tecnologia Polyjet stampa oggetti 3D tramite gocce di materiali fotopolimerici che vengono solidificati grazie alla luce UV. Procedendo per strati microscopici fino al completamento della parte si ottiene un’elevata precisione unita ad un’ottima qualità superficiale.

Additive Manufacturing SLA – Stereolitografia

La stereolitografia, SLA, utilizza resine fotosensibili che vengono indurite, strato per strato, da un apposito raggio luminoso. È una tecnica di manifattura additiva molto utilizzata per test e prototipi.

Additive Manufacturing e industria

La stampa 3D sta conoscendo una sempre maggiore notorietà, grazie anche alla diffusione di stampanti 3D hobbystiche. Per un approfondimento su questa tipologia di stampanti 3D rimandiamo a Wikipedia.

Per quanto concerne invece l'ambito industriale notiamo come l'Additive Manufacturing necessiti di sistemi produttivi complessi e all’avanguardia, materiali di alta qualità e personale adeguatamente formato. La competenza e il know-how sono il fulcro del lavoro di progettisti e designer e rimangono essenziali per la perfetta riuscita di un progetto realizzato in stampa 3D insieme all’apporto di personale di produzione specializzato. L’opera del personale altamente qualificato è determinante innanzitutto per la corretta messa in macchina, volta a contrastare le deformazioni, e per la predisposizione delle opportune strutture di sopporto.
Non solo, anche nelle fasi successive alla produzione il lavoro e l’esperienza del personale qualificato risulta determinante: la complessità delle geometrie rende più laboriosi e delicati i trattamenti termici, le lavorazioni con macchine CNC, le rifiniture, ma anche controlli e collaudi che devono essere eseguiti seguendo modalità apposite.

Additive Manufacturing - Additive Team

Zare, azienda che fra le prime in Italia ha utilizzato l'Additive Manufacturing come strumento al servizio della produzione industriale, mette a disposizione un Additive Team altamente specializzato e diverse tecnologie additive che potete approfondire a questo indirizzo: Tecnologie.

Solo il materiale che serve: l’ottimizzazione topologica per l'Additive Manufacturing

L’Additive Manufacturing, rispetto alle tecniche di manifattura tradizionali, capovolge completamente il punto di vista sui materiali utilizzati: andando a produrre un oggetto strato su strato, con scarsissimo o nullo materiale di scarto, il costo del materiale non è più proporzionato al materiale di sfrido, ma si lega alla quantità di materiale effettivamente utilizzato: ne consegue una ricerca di forme complesse e alleggerite, rese possibili dalla libertà di design offerta dalla tecnologia. In questo, può risultare determinante una consulenza di ottimizzazione topologica.

L'ottimizzazione topologica è un'operazione di ingegnerizzazione e re-design che ricerca la migliore distribuzione del materiale modificando la geometria del componente in modo da alleggerirlo massimizzandone le prestazioni; questo significa che il materiale sarà presente solo dove strettamente necessario, tenendo conto di proprietà meccaniche specifiche del materiale, dei carichi previsi, e degli obiettivi del progetto.

Il risultato sarà un componente efficace, efficiente, leggero e performante, elementi che presentano una ricaduta positiva anche sui costi: pensiamo ad esempio a pezzi e componenti pensati per il settore aerospaziale dove una maggiore leggerezza si traduce in un risparmio di carburante ed in una conseguente riduzione sostanziale dei costi da sostenere.

Ottimizzazione topologica per componenti in Additive Manufacturing più leggeri

Anche in questo caso, è importante avvalersi di personale specializzato: una corretta impostazione dell’analisi topologica richiede infatti una conoscenza approfondita delle criticità e degli aspetti specifici del processo di produzione di stampa 3D e dei materiali utilizzati.

Le tecnologie additive facilitano l'uso di nuovi materiali e la creazione di geometrie prima impossibili. Tuttavia, è necessario tenere in considerazione che le parti prodotte richiedono solitamente operazioni di post-processo o lavorazioni secondarie, soprattutto se l’uso previsto è in assemblaggi mobili.

Additive Manufacturing: soluzioni innovative

L’ottimizzazione topologica, l’alleggerimento dei componenti, la possibilità di ottenere forme volte a massimizzare determinate caratteristiche e le altre peculiarità dell’Additve Manufacturing offrono un ovvio vantaggio competitivo nei settori complessi come aeronautico, aerospaziale, racing e automotive, ma trovano efficace applicazione in diversi settori.

Settore aerospaziale: i vantaggi delle tecnologie additive

Nel settore aerospaziale, la produzione additiva ha trova sempre maggiore impiego grazie alla possibilità di ridurre il rapporto buy-to-fly, ovvero il rapporto fra la quantità di materiale richiesto e la quantità di materiale di cui il componente è effettivamente composto.
Con i metodi di produzione tradizionali il rapporto buy-to-fly può arrivare fino a 20:1, mentre con le tecnologie additive ci si può avvicinare ad un rapporto uno a uno, migliorando notevolmente l’efficienza nell’uso del materiale. Se consideriamo che il settore aerospaziale richiede materiali ad altissime prestazioni, appare subito evidente come la riduzione del rapporto buy-to-fly renda più efficiente la produzione anche dal punto di vista economico.

Tecnologie additive per lo stampaggio

L’adozione delle tecnologie di Additive Manufacturing va a beneficio non solo di settori come quello aerospaziale, ma presenta ricadute positive in svariate applicazioni ed ambiti: pensiamo ad esempio al comfort dei pazienti in ambito dentale, oppure, in ambito industriale, ai vantaggi nella realizzazione di inserti per stampi ad iniezione e per la pressofusione.

In quest’ultimo caso, ad esempio, la stampa 3D dei metalli consente di produrre inserti per stampaggio con geometrie complesse a vantaggio di aspetti critici dell’elemento come, ad esempio il raffreddamento. Con l’Additive Manufacturing è possibile prevedere canali di raffreddamento equidistanti dalla superficie che permettono una maggiore dissipazione di calore nell’unità di tempo; ne consegue una riduzione della durata del ciclo di stampaggio e delle deformazioni sul prodotto finito, incrementando la qualità del manufatto finale.

Inserti per stampaggio in Additive Manufacturing

Assemblaggi ridotti

Più in generale, l’alleggerimento e la possibilità di progettare forme particolari rende possibile riunire diverse caratteristiche e proprietà in un unico oggetto; in questo modo, progetti che, con tecniche produttive tradizionali, richiedevano la produzione di più elementi da assemblare possono essere realizzati riducendo il numero di elementi o addirittura prevedendo un unico componente senza necessità di assemblaggi.

Il ruolo dell’Additive Manufacturing

Quando si parla di stampa 3D e di Additive Manufacturing, si fa oggi riferimento ad un ampio numero di macchine, tecnologie e materiali che, proprio per la loro varietà e per le numerose combinazioni possibili, sono in grado di conferire un importante valore aggiunto in ambito di sviluppo e produzione; produrre in additivo offre vantaggi funzionali e di performance e settori come quello aerospaziale, automobilistico e medico stanno già da tempo utilizzando con successo la stampa 3D.
Che si tratti di sostituire o integrare metodi di produzione esistenti per motivi economici o funzionali, o della capacità di produrre componenti finora impossibili grazie alla sviluppo di nuove leghe e parametri o ad un più generale e previsto avanzamento tecnologico, l’additive manufacturing avrà sicuramente un ruolo fondamentale nell’evoluzione della produzione.