Benefici e vantaggi della stampa 3D
Tutto quello che dovresti sapere sulla stampa 3D industriale
La manifattura additiva (AM), nota anche come stampa 3D, è una delle tecnologie di produzione in più rapido sviluppo al mondo. È un processo di deposizione di materiale strato su strato per produrre parti da modelli 3D. La stampa 3D ha dimostrato la sua efficacia soprattutto nei settori a basso volume e ad alta personalizzazione come l'aerospazio per svariate ragioni. In questo articolo esploreremo i modi in cui la stampa 3D può apportare vantaggi in tutti i settori, migliorare i tempi di consegna e ridurre i costi. Il focus sarà sulla tecnologia Fused Filament Fabrication (FFF), in cui un filamento semi-fuso di plastica viene estruso attraverso un ugello, ma questi principi possono essere applicati in generale a tutte le tecnologie di stampa.
I numerosi vantaggi della tecnologia di stampa 3D riguardano la realizzazione di parti più leggere, tempi di consegna più brevi e costi inferiori. Tutto questo grazie alla sua caratteristica principale: una maggiore libertà progettuale, che consente la progettazione di parti con geometrie altamente personalizzate e inusuali. Molteplici vantaggi della stampa 3D derivano da questo e portano a numerosi benefici come la prototipazione rapida, la produzione on demand e just-in-time, l’utilizzo di magazzini digitali, la riduzione di parti, i tempi di assemblaggio più brevi e la manutenzione più semplice. La libertà di progettazione e l'ampia varietà di materiali disponibili per la stampa 3D ne fanno una soluzione molto flessibile per la produzione industriale.
I principali limiti della manifattura additiva sono il costo relativamente elevato delle singole parti e l'impossibilità di produrre grandi volumi. Ciò limita l'ambito della stampa 3D a piccole tirature e parti complesse, poiché per parti semplici prodotte in grandi volumi è sufficiente la produzione tradizionale.
Stampa 3D e personalizzazione: in che modo la stampa 3D garantisce la personalizzazione dei prodotti?
Libertà di progettazione e design
I vantaggi della stampa 3D iniziano con la libertà di progettazione. Quando si tratta del processo di design delle parti, c'è poca differenza di costo tra la stampa 3D e la produzione tradizionale poiché entrambe utilizzano gli stessi programmi CAD. I due fattori che influenzano i costi sono la complessità dei design e il prezzo dei materiali. I metodi di produzione tradizionali, come lo stampaggio a iniezione e la lavorazione CNC, non offrono vere scorciatoie per parti più veloci o più complesse. Queste devono essere realizzate con tutti i limiti associati a queste tecnologie, come la necessità di avere angoli di sformo appropriati, garantire l'accesso all'utensile e una progettazione dello spessore delle pareti generalmente uniforme.
La stampa 3D, d'altra parte, ha poche di queste limitazioni. Il processo di design per la stampa FFF è principalmente incentrato sulla riduzione dei supporti e sulla garanzia che possano essere facilmente rimossi, oltre a questo ci sono solo poche altre considerazioni. Ciò consente una libertà progettuale di gran lunga maggiore e quindi la possibilità di utilizzare la stampa 3D per innumerevoli applicazioni, anche con progetti che tradizionalmente sarebbero impossibili; una singola stampante 3D può essere utilizzata per realizzare molti tipi diversi di parti, dalle guarnizioni per impianti chimici ai telai dei satelliti, dai semplici perni agli spoiler per auto da corsa, dalle viti senza fine ai meccanismi conformi, l'unico limite è la fantasia del progettista.
Realizzazione semplificata di geometrie complesse
Gran parte della progettazione per la produzione tradizionale viene eseguita utilizzando progetti parametrici e pacchetti software basati su NURBS. Questi sono appropriati per forme più regolari, come rettangoli, cerchi e triangoli, perché viene fornita ogni dimensione e caratteristica. Questo rappresenta lo standard perché i componenti devono combaciare e far parte di un assemblaggio, quindi un design più libero non è facilitato e spesso non è pratico in molti pacchetti software CAD.
D'altra parte, i pochi limiti progettuali della stampa 3D consentono la creazione di geometrie incredibilmente complesse che altrimenti sarebbero difficili, se non impossibili, da realizzare con i metodi tradizionali. La stampa 3D può funzionare con le mesh, che si prestano molto di più a design a mano libera e organici, che sono intrinsecamente molto più complessi delle forme regolari. Utilizzando la manifattura additiva, i progettisti hanno molta più libertà di modificare e manipolare le geometrie per soddisfare le necessità creando applicazioni uniche. Ciò si traduce in parti molto più complesse che presentano numerosi vantaggi rispetto a geometrie più regolari, tra cui massa ridotta, numero di parti inferiore e integrazione più semplice.
Riduzione del lead-time e prototipazione rapida
In principio utilizzo della stampa 3D fu legato alla produzione di prototipi, infatti l’AM venne rinominata prototipazione rapida. Grazie alla libertà di progettazione della stampa 3D, la modifica di un prototipo è facile e può essere implementata in tutte le fasi di sviluppo del prodotto. Ciò elimina, ad esempio, la necessità di produrre un nuovo stampo ogni volta che viene modificato un disegno. Pertanto, la sperimentazione diventa fattibile, nuovi progetti e idee possono essere prontamente testati e approvati, portando a progetti migliori e più innovativi.
Quando il processo di fabbricazione di un nuovo prodotto occupa una parte considerevole del tempo del progetto (ad esempio, per un progetto di un anno, il tempo di fabbricazione potrebbe richiedere cinque mesi a causa della progettazione e della produzione dello stampo), le aziende sono costrette a produrre il progetto finale diversi mesi prima della fine di quest’ultimo. Il problema è che il progetto finale potrebbe non essere ottimale a causa di limiti di tempo e con poche possibilità di miglioramenti. La prototipazione rapida 3D, invece, accelera notevolmente la fase di sviluppo, consentendo la realizzazione di più prototipi in rapida successione e cambiando il paradigma progettuale.
Inoltre, sfruttando l'ampia gamma di materiali disponibili per la stampa 3D, in particolare polimeri ad alte performance che possono sopravvivere in ambienti difficili come lo spazio e possono sostituire i metalli, è possibile realizzare prototipi avanzati quasi identici al prodotto finale.
Produzione on demand e just-in-time
Le aziende possono usufruire di numerosi vantaggi della stampa 3D, ma uno dei principali è una drastica riduzione dei tempi di consegna, ottenuta attraverso la produzione just-in-time (JIT) e on-demand. Le aziende utilizzano spesso sistemi di inventario specifici per le loro esigenze, ma nessuna desidererebbe mai l'interruzione della catena di approvvigionamento che comporterebbe il mancato rispetto delle scadenze. A volte, però, si verificano situazioni impreviste e quindi è importante disporre di un sistema in grado di compensare. Come ad esempio la suddetta produzione just-in-time e on-demand. Con la JIT, un prodotto (o prodotti) viene consegnato direttamente dal fornitore all'azienda senza passare attraverso un magazzino. La produzione on demand implica garantire che un cliente abbia l'articolo richiesto nella giusta quantità e al momento giusto.
La stampa 3D essendo molto flessibile e rappresenta una soluzione in grado di garantire sia una produzione di parti just-in-time che on demand grazie alla sua velocità e libertà di progettazione, sia attraverso l'acquisizione di stampanti che sfruttando servizi come Roboze 3D Parts. Utilizzando un database di parti già stampate, è possibile realizzarne di nuove in breve tempo e quando necessario, compensando le interruzioni nella supply chain e aiutando a mantenere un buon rapporto con i clienti.
Possibilità di creare magazzini digitali
I pezzi di ricambio vengono solitamente realizzati utilizzando economie di scala, in cui vengono prodotte più parti del necessario per immagazzinare pezzi di ricambio per esigenze future. Il problema è che questa esigenza è spesso imprevedibile. In ogni caso, i pezzi di ricambio devono essere alloggiati in un magazzino dove occupano spazio e aumentano i costi di inventario. Con una stampante 3D industriale e sfruttando la capacità della stampa 3D di produrre on-demand e just-in-time, è invece possibile creare un magazzino digitale di parti già stampate e verificate, con molta più flessibilità. Le parti vengono archiviate digitalmente, senza occupare spazio fisico, e possono quindi essere stampate quando necessario invece di dover essere ordinate o immagazzinate.
I costi possono essere ulteriormente ridotti disponendo delle migliori stampanti 3D industriali distribuite in diversi siti in tutto il mondo che utilizzano il digital warehousing. Ciò non solo elimina la necessità di immagazzinare i pezzi di ricambio, ma riduce anche notevolmente i costi di consegna, soprattutto se i pezzi vengono immagazzinati lontano dal luogo di necessità. Questa capacità di produrre parti localmente e on demand chiamata produzione distribuita o decentralizzata, un cambiamento nelle catene di approvvigionamento produttive che sta verificando da alcuni anni e di cui la stampa 3D è un importante fattore abilitante.
Integrazione delle parti con la stampa 3D
La libertà di progettazione della stampa 3D non solo consente la produzione di geometrie più complesse, ma consente anche il consolidamento di più parti che altrimenti dovrebbero essere realizzate separatamente e poi assemblate in una sola, riducendo notevolmente i tempi e i costi di produzione. Ciò riduce anche la necessità di risorse (poiché è necessario produrre meno parti singole), nonché lo spreco di materiale, come lo scarto prodotto dalla lavorazione CNC.
A causa dei limiti della produzione convenzionale, assemblaggi complessi come ad esempio i condotti di condizionamento dell'aria per aeromobili devono essere costruiti con più tubi separati poiché seguono percorsi molto complessi. Utilizzando la stampa 3D e termopolimeri ad alte prestazioni come PEEK (Poly Ether Ether Ketone) e ULTEM™ AM9085F (che hanno certificazioni per l'uso su aerei passeggeri), è possibile invece stampare più sezioni insieme.
Un altro esempio è il braccio oscillante e il disco nelle valvole di ritegno a battente. Normalmente si tratta di due componenti separati che sono imbullonati insieme a causa delle limitazioni nella fusione e nella lavorazione CNC. Ancora una volta, con la stampa 3D e con un materiale termoplastico composito come il Carbon PEEK, le due parti possono essere combinate in una, semplificandone la produzione. Come ulteriore vantaggio, la minore massa dei polimeri rende l'assemblaggio molto più sicuro e più facile da maneggiare e montare.
Riduzione dei tempi di assemblaggio
Integrare più parti in una sola ha il grande vantaggio di ridurre i tempi di assemblaggio, se non azzerarli del tutto grazie alla libertà progettuale della Manifattura Additiva, che consente la facile realizzazione di geometrie complesse. Riducendo il numero totale di parti, si riduce anche il tempo di utilizzo. L'uso dell’Additive Manufacturing per la riduzione dei tempi di assemblaggio può essere applicato sia all'assemblaggio manuale che a quello automatizzato ed è particolarmente utile per i sistemi automatizzati poiché, in generale, sono più adatti a gestire geometrie più semplici. In altre parole, avere una singola parte più complessa con pochi punti di attacco è più efficiente di diversi componenti più piccoli, ciascuno con i propri attacchi.
Inoltre, la stampa di dime di montaggio come le maschere di foratura aiuta a standardizzare e velocizzare la produzione perché, grazie alla libertà di progettazione della manifattura additiva, le maschere ad hoc possono essere facilmente progettate e realizzate per geometrie complesse. I disegni possono quindi essere modificati rapidamente e una nuova maschera può essere realizzata se vengono apportate modifiche alla parte da forare.
Manutenzione semplificata
La libertà di progettazione della stampa 3D può essere sfruttata anche per semplificare la manutenzione. Riducendo il numero di parti, non solo il montaggio è più rapido e semplice, ma ciò ha naturalmente anche lo stesso effetto sullo smontaggio. Pertanto, un assemblaggio può essere riprogettato integrando più parti insieme ma mantenendo separato un componente che richiede frequenti sostituzioni. L'utilizzo di tecniche come questa e la loro combinazione con un magazzino digitale significa che la manutenzione può essere resa molto più veloce, meno costosa e più semplice.
Soluzioni flessibili
I polimeri standard sono i più utilizzati in tutto il mondo e includono materie plastiche come PET, PVC e PP. Queste plastiche sono caratterizzate da basse proprietà meccaniche e termiche, ma anche da una buona resistenza chimica e da un costo molto basso, che le rende particolarmente appetibili per la produzione in serie di beni di consumo come i contenitori di plastica. Con poche eccezioni, la maggior parte dei polimeri standard può essere stampata in 3D, in particolare PLA, ABS e PA sono comunemente usati per stampare prototipi e parti di ricambio con geometrie complesse.
La prossima classe di polimeri è costituita dai tecnopolimeri, che sono più resistenti delle plastiche standard e possono essere utilizzati per produrre componenti di veicoli, parti di macchine e trovare applicazioni nell'edilizia. Questi polimeri vengono talvolta miscelati con altri materiali per produrre compositi con nuove proprietà. La stampa 3D di tecnopolimeri può essere utilizzata per una varietà di applicazioni, ad esempio per realizzare utensili durevoli e personalizzati utilizzando il FUNCTIONAL Nylon. I tecnopolimeri e l'AM possono essere utilizzati anche nell'industria automobilistica, dove è possibile utilizzare una maggiore libertà di progettazione e materiali come il PC-LEXANTM per la produzione di rivestimenti interni, pannelli delle portiere, componenti dei sedili, pannelli degli strumenti e coperture dei montanti.
Le plastiche ad alte performance si differenziano dalle plastiche standard e tecnopolimeri principalmente per una maggiore resistenza termica (temperatura di utilizzo continuo più elevata), nonché per caratteristiche meccaniche più elevate e una bassa quantità di produzione (a causa del loro uso altamente specializzato). Materiali come il polietere etere chetone (PEEK) e la polieterimmide (PEI) sono in grado di soddisfare pienamente requisiti molto più severi rispetto alle altre classi di termopolimeri, e in quanto tali possono essere utilizzati in settori estremi come l’aerospace, energy e motorsport.
Vantaggi della stampa 3D nella produzione: utilizzo della manifattura additiva per piccoli lotti e per la produzione interna
È risaputo che i piccoli lotti di produzione hanno un costo maggiore rispetto a quelli ad alto volume, dove iniziano ad avere effetto le economie di scala. Questo può essere problematico quando è richiesto solo un numero limitato di parti, ad esempio nel caso di parti di ricambio o una pre-serie (prima di entrare in piena produzione). In genere, lo stampo è la parte più costosa del processo, con un costo fino a 10.000 USD, pertanto le aziende si asterranno da tirature a basso volume.
Ci sono molti vantaggi della stampa 3D e uno è che il costo per una singola parte non cambia se viene stampato un lotto di 10 o 1000. Poiché il costo rimane lo stesso indipendentemente dal volume, i piccoli lotti sono molto più economici da stampare rispetto all'utilizzo della produzione tradizionale. Inoltre, grazie alla natura stratificata della stampa 3D, geometrie complesse con caratteristiche come cavità interne, strutture reticolari e superfici funzionalizzate non incidono sul costo della parte. Il punto di pareggio può variare a seconda della complessità, ma in generale si può dire che sia nell'intervallo delle centinaia di parti.
Internalizzare la produzione con la stampa 3D
L'internalizzazione della produzione è qualcosa che le aziende fanno spesso per ridurre i costi di produzione e trasporto, nonché per ridurre i tempi. Produzione interna significa allestire uno spazio dedicato alla produzione di parti che sono spesso necessarie e costose da acquisire, ecco perché la produzione è internalizzata. L'acquisizione di una stampante 3D industriale può servire agli stessi scopi di un'intera officina meccanica con i vantaggi aggiuntivi di una maggiore libertà di progettazione, flessibilità e bassi costi per piccoli lotti. Avere un impianto di stampa 3D interno consente la creazione di un magazzino digitale e di una produzione JIT e on-demand, riducendo drasticamente i tempi di consegna e abbassando i costi, fino al -50% dei costi e l'80% della produzione internalizzata.