La produzione additiva, nota anche come stampa 3D, è in continua evoluzione da quasi 35 anni dal suo utilizzo commerciale. 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.
Con una diffusione così ampia, 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 di fogli (SHL). Qui sono classificati in base alla popolarità in base alle unità vendute.
Un numero crescente di professionisti del settore, inclusi ingegneri e manager, sta imparando quando la produzione additiva può contribuire a migliorare un prodotto o un processo e quando no. Storicamente, le principali iniziative per implementare la produzione additiva sono state promosse da ingegneri esperti in questa tecnologia. Il management vede 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 di produzione tradizionali, ma diventerà parte integrante delle capacità di sviluppo e produzione dei prodotti dell'imprenditore.
La produzione additiva ha un'ampia gamma di applicazioni, dalla microfluidica all'edilizia su larga scala. I vantaggi dell'AM variano a seconda del settore, dell'applicazione e delle prestazioni richieste. Le organizzazioni devono avere buone ragioni per implementare l'AM, indipendentemente dal caso d'uso. Le 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, incluso lo sviluppo di prodotti personalizzati.
Per le applicazioni aerospaziali, il peso è un fattore determinante. Secondo il Marshall Space Flight Center della NASA, mandare in orbita terrestre un carico utile di 0,45 kg costa circa 10.000 dollari. Ridurre il peso dei satelliti può far risparmiare sui costi di lancio. L'immagine allegata mostra un componente in metallo realizzato con la tecnica AM (Additive Manufacturing) di Swissto12 che combina diverse guide d'onda in un unico componente. Con la tecnologia AM, 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 business case dell'AM è la possibilità di iterare rapidamente i progetti per creare il miglior prodotto possibile nel minor tempo possibile. Nel settore petrolifero e del gas, parti o assemblaggi danneggiati possono costare migliaia di dollari o più in termini di perdita di produttività all'ora. L'utilizzo dell'AM per ripristinare le attività operative può essere particolarmente interessante.
MX3D, un importante produttore di sistemi DED, ha rilasciato un prototipo di strumento per la riparazione di tubi. Secondo l'azienda, una tubazione danneggiata può costare tra 100.000 e 1.000.000 di euro (tra 113.157 e 1.131.570 dollari) al giorno. L'attrezzatura mostrata nella pagina successiva utilizza un componente CNC come telaio e utilizza la DED per saldare la circonferenza del tubo. La tecnologia AM offre elevate velocità di deposizione con scarti minimi, mentre la tecnologia CNC garantisce la precisione richiesta.
Nel 2021, un rivestimento d'acqua stampato in 3D è stato installato su una piattaforma petrolifera TotalEnergies nel Mare del Nord. Le camicie d'acqua sono un elemento fondamentale per controllare il recupero degli idrocarburi nei pozzi in costruzione. In questo caso, i vantaggi dell'utilizzo della produzione additiva si traducono in tempi di consegna ridotti e una riduzione delle emissioni del 45% rispetto alle camicie d'acqua forgiate tradizionali.
Un altro vantaggio della produzione additiva è la riduzione di utensili costosi. Phone Scope ha sviluppato adattatori per digiscoping per dispositivi che collegano la fotocamera del telefono a un telescopio o a un microscopio. Ogni anno vengono lanciati nuovi telefoni, il che richiede alle aziende di lanciare una nuova linea di adattatori. Utilizzando la produzione additiva, un'azienda può risparmiare denaro su utensili costosi che devono essere sostituiti quando vengono lanciati nuovi telefoni.
Come per qualsiasi processo o tecnologia, la produzione additiva non dovrebbe essere utilizzata perché considerata nuova o diversa. Serve a migliorare i processi di sviluppo e/o produzione dei prodotti. Dovrebbe aggiungere valore. Esempi di altri casi aziendali includono prodotti personalizzati e personalizzazione di massa, funzionalità complesse, componenti integrati, riduzione di materiali e peso e prestazioni migliorate.
Affinché l'AM realizzi 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 componenti e supporti e della post-lavorazione saranno di aiuto. L'automazione aumenta anche la produttività e riduce il costo per pezzo.
Uno dei settori di maggiore interesse è l'automazione post-processing, come la rimozione della polvere e la finitura. Automatizzando il processo di produzione in serie delle applicazioni, la stessa tecnologia può essere ripetuta migliaia di volte. Il problema è che i metodi di automazione specifici possono variare in base al tipo di componente, alle dimensioni, al materiale e al processo. Ad esempio, la post-processing delle corone dentali automatizzate è molto diversa dalla lavorazione dei componenti dei motori dei razzi, sebbene entrambe possano essere realizzate in metallo.
Poiché i componenti sono ottimizzati per la produzione additiva (AM), spesso vengono aggiunte funzionalità più avanzate e canali interni. Per la PBF, 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 stampa. Rotazione e vibrazione sono controllate dal modello CAD del componente. Muovendo e agitando con precisione i componenti, la polvere catturata scorre 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 i limiti della rimozione manuale delle polveri possono limitare la fattibilità dell'utilizzo dell'AM per la produzione di massa, anche in piccole quantità. I ​​sistemi di rimozione delle polveri metalliche Solukon possono operare in atmosfera inerte e raccogliere la polvere non utilizzata per il riutilizzo nelle macchine AM. Solukon ha condotto un'indagine tra i clienti e ha pubblicato uno studio a dicembre 2021, che mostra 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-processing per la rimozione automatica della polvere. Molti componenti realizzati con la produzione additiva possono essere caricati in un sistema che inverte ed espelle il materiale per rimuovere la polvere in eccesso. HP dispone di un proprio sistema che, a quanto pare, rimuove la polvere dalla camera di stampa della Jet Fusion 5200 in 20 minuti. Il sistema conserva 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 può essere applicata alla maggior parte delle fasi di post-lavorazione. DyeMansion offre sistemi per la rimozione delle polveri, la preparazione delle superfici e la verniciatura. Il sistema PowerFuse S carica i pezzi, vaporizza le parti lisce e li scarica. L'azienda fornisce un rack in acciaio inossidabile per appendere i pezzi, operazione che viene eseguita manualmente. Il sistema PowerFuse S può produrre una superficie simile a quella di uno stampo a iniezione.
La sfida più grande che il settore si trova ad affrontare 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 rappresentare la soluzione migliore, sebbene ciò dipenda dal tipo di componente. L'AM è spesso disponibile per la prima produzione nella produzione e nel collaudo di utensili. Grazie alla post-elaborazione automatizzata, è possibile produrre migliaia di componenti in modo affidabile e riproducibile con l'AM, ma è un processo specifico per ogni componente e potrebbe richiedere una soluzione personalizzata.
La produzione additiva (AM) non ha nulla a che fare 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 produzione 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 pianificando un razzo più grande e riutilizzabile chiamato Terran R.
I razzi Terran 1 e R di Relativity Space rappresentano un modo innovativo per reinventare l'aspetto dei voli spaziali del futuro. La progettazione e l'ottimizzazione per la produzione additiva hanno suscitato interesse per questo sviluppo. L'azienda afferma che questo metodo riduce il numero di componenti di 100 volte rispetto ai razzi tradizionali. L'azienda afferma inoltre di poter produrre razzi a partire da materie prime entro 60 giorni. Questo è un ottimo esempio di come combinare molti componenti in uno, semplificando notevolmente la catena di approvvigionamento.
Nel settore dentale, la produzione additiva viene utilizzata per realizzare corone, ponti, dime chirurgiche, protesi parziali e allineatori. Align Technology e SmileDirectClub utilizzano la stampa 3D per produrre componenti per la termoformatura di allineatori trasparenti in plastica. Align Technology, produttore dei prodotti a marchio Invisalign, utilizza molti dei sistemi di fotopolimerizzazione nelle vasche 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 al ribasso, l'azienda ha prodotto 100 milioni o più di componenti AM. I componenti in FRP sono difficili da riciclare perché termoindurenti. SmileDirectClub utilizza il sistema HP Multi Jet Fusion (MJF) per produrre componenti termoplastici che possono essere riciclati per altre applicazioni.
Storicamente, la VPP non è stata in grado di produrre parti sottili e trasparenti con proprietà di resistenza adatte all'uso come 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, il processo end-to-end è considerato più breve, semplice e potenzialmente meno costoso.
Uno dei primi sviluppi che ha ricevuto molta attenzione mediatica è stato l'uso della stampa 3D per applicazioni edilizie su larga scala, come l'edilizia abitativa. Spesso le pareti della casa vengono stampate per estrusione. Tutte le altre parti della casa, inclusi pavimenti, soffitti, tetti, scale, porte, finestre, elettrodomestici, mobili e piani di lavoro, sono state realizzate con metodi e materiali tradizionali. Le pareti stampate in 3D possono aumentare i costi di installazione di elettricità, illuminazione, impianto idraulico, canalizzazioni e prese d'aria per il riscaldamento e l'aria condizionata. Rifinire l'interno e l'esterno di una parete in cemento è più difficile rispetto a una parete tradizionale. Anche la modernizzazione di una casa con pareti stampate in 3D è un aspetto importante da considerare.
I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory stanno studiando come immagazzinare energia nelle pareti stampate in 3D. Inserendo tubi nella parete durante la costruzione, l'acqua può fluire al suo interno per riscaldare e raffreddare. Questo progetto di ricerca e sviluppo è interessante e innovativo, ma è ancora in una fase iniziale di sviluppo. Questo progetto di ricerca e sviluppo è interessante e innovativo, ma è ancora in una fase iniziale di sviluppo.Questo progetto di ricerca è interessante e innovativo, ma è ancora nelle prime fasi 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 di edifici o altri oggetti di grandi dimensioni. Questa tecnologia è stata utilizzata per produrre ponti, pensiline, panchine ed elementi decorativi per edifici e ambienti esterni. Si ritiene che i vantaggi della produzione additiva su piccola scala (da pochi centimetri a diversi metri) siano applicabili anche alla stampa 3D su larga scala. I principali vantaggi dell'utilizzo della produzione additiva includono la creazione di forme e dettagli complessi, la riduzione del numero di componenti, la riduzione di materiali e pesi e l'aumento della produttività. Se la produzione additiva non aggiunge valore, la sua utilità dovrebbe essere messa in discussione.
Nell'ottobre 2021, Stratasys ha acquisito il restante 55% delle quote di Xaar 3D, una sussidiaria del produttore britannico di stampanti a getto d'inchiostro industriali Xaar. La tecnologia PBF polimerica di Stratasys, denominata Selective Absorbion Fusion, si basa sulle testine di stampa a getto d'inchiostro Xaar. La macchina Stratasys H350 compete con il sistema HP MJF.
L'acquisizione di Desktop Metal è stata impressionante. Nel febbraio 2021, l'azienda ha acquisito Envisiontec, produttore storico di sistemi di produzione additiva industriale. Nel maggio 2021, l'azienda ha acquisito Adaptive3D, sviluppatore di polimeri VPP flessibili. Nel luglio 2021, Desktop Metal ha acquisito Aerosint, sviluppatore di processi di rivestimento a polvere multimateriale. L'acquisizione più importante è avvenuta ad agosto, quando Desktop Metal ha acquisito il 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 credono. Le aziende continuano ad affrontare questioni come la ripetibilità, l'affidabilità e la comprensione della causa principale dei problemi man mano che si presentano. Ciononostante, se i problemi vengono risolti, c'è ancora spazio affinché la tecnologia raggiunga mercati più ampi. A luglio 2021, 3DEO, un fornitore di servizi che utilizza un sistema di stampa 3D proprietario, ha dichiarato di averne spedito un milionesimo ai clienti.
Gli sviluppatori di software e piattaforme cloud hanno registrato una crescita significativa nel settore della produzione additiva. Questo è particolarmente vero per i sistemi di gestione delle prestazioni (MES) che tracciano la catena del valore AM. 3D Systems ha siglato un accordo per l'acquisizione di Oqton a 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 AM. Materialize ha acquisito Link3D a novembre 2021 per 33,5 milioni di dollari. Come Oqton, la piattaforma cloud di Link3D traccia il lavoro e semplifica il flusso di lavoro AM.
Una delle ultime acquisizioni del 2021 è stata l'acquisizione di Wohlers Associates da parte di ASTM International. Insieme, le due aziende stanno lavorando per sfruttare il marchio Wohlers e supportare una più ampia adozione della manifattura additiva in tutto il mondo. Attraverso l'ASTM AM Center of Excellence, Wohlers Associates continuerà a produrre report Wohlers e altre pubblicazioni, oltre a fornire servizi di consulenza, analisi di mercato e formazione.
Il settore della produzione additiva è maturato e molti settori 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 utensili, e 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 di nuove aziende, prodotti, servizi, applicazioni e casi d'uso, spesso a una velocità vertiginosa.