Introduzione all’Additive Manufacturing: definizione, come funziona, applicazioni
Cos’è l’additive manufacturing?
L’additive manufacturing è un processo produttivo che consente di creare oggetti tridimensionali aggiungendo materiale strato dopo strato fino a ottenere la forma desiderata. A differenza dei metodi tradizionali di produzione sottrattiva, come la fresatura o la tornitura, la manifattura additiva costruisce gli oggetti aggiungendo materia anziché rimuoverla. Precedentemente abbiamo già avuto modo di approfondire le differenze tra manifattura additiva e manifattura tradizionale, ma in questo articolo parleremo in modo più approfondito dell’Additive Manufacturing.
Secondo la definizione di Additive Manufacturing data dallo standard terminologico ISO/ASTM 52900:2021, “la produzione additiva è un processo di unione dei materiali finalizzato alla creazione di oggetti di modelli 3D, solitamente strato su strato, in contrasto con le metodologie di produzione sottrattiva".
La stampa 3D e la manifattura additiva sono la stessa cosa?
La stampa 3D è una forma di manifattura additiva. La manifattura additiva si riferisce a un processo di creazione di oggetti tridimensionali mediante la stampa 3D. Questi due termini sono spesso utilizzati in modo interscambiabile, dunque, citare manifattura additiva o stampa 3D significherà fare riferimento all'approccio additivo per distinguerlo dai processi di produzione sottrattiva, come le lavorazioni meccaniche, in cui il materiale viene rimosso da un blocco più grande per ottenere la forma desiderata. Negli ultimi anni, il mercato sta sempre più rilegando il concetto di manifattura additiva al processo di produzione di stampa 3D mettendolo sullo stesso livello dei metodi tradizioni, in quanto consente la produzione non solo di prototipi ma anche di parti finite, associando alla stampa 3D soluzioni hobbistiche o domestiche, dette Desktop.
Storia dell’Additive Manufacturing
La manifattura additiva risale agli anni '80, quando Chuck Hull introdusse la tecnologia della stereolitografia (SLA) presso la 3D Systems. La SLA utilizzava un laser per solidificare strati di resina fotosensibile, consentendo la creazione di modelli tridimensionali. Nel corso degli anni sono state sviluppate e commercializzate diverse altre tecnologie di stampa 3D: dalla fusione selettiva laser (SLM), che utilizza un laser per fondere e solidificare polveri metalliche, fino alla deposizione di materiale fuso (FDM/FFF), che estrude uno strato di materiale plastico fuso per costruire l'oggetto strato dopo strato.
Dagli anni 2000 in poi, l’additive manufacturing si è evoluta e ha cominciato ad essere sempre più utilizzata per la fabbricazione additiva di prototipi in vari settori industriali, come l'aerospaziale e l'automotive, poiché ha consentito di ridurre i tempi e i costi di sviluppo. Sono stati introdotti materiali avanzati, come polimeri termoplastici ad alte prestazioni e leghe metalliche, ampliando le possibilità di produzione additiva. Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un vero e proprio cambio di passo, con una velocità in termini di progresso inarrestabile con nuove tecnologie di stampa 3D e nuove prospettive per l’innovazione in un range sempre più ampio di settori: dal biomedicale allo spazio, dall’edilizia al navale, dall’energia all’industriale, ognuno con processi e materiali di stampa 3D sviluppati ad hoc in base alle singole esigenze. Si prevede che nel futuro la tecnologia di stampa 3D possa rivoluzionare ulteriormente il modo in cui vengono progettati e prodotti gli oggetti, offrendo nuove opportunità per la personalizzazione, la sostenibilità e l'efficienza nella produzione.
Additive Manufacturing: come funziona?
Il processo di manifattura additiva inizia con la creazione di un modello digitale tridimensionale dell'oggetto desiderato mediante software di progettazione assistita dal computer (CAD). Questo modello viene quindi suddiviso in strati sottili, generalmente con uno spessore di pochi micrometri. Il formato di file per la stampa 3D più famoso è l’STL (Standard Tessellation Language o in alternativa Standard Triangulation Language), introdotto negli anni ’90 per la comunicazione dei dati tridimensionali tra il software di progettazione e le macchine di stampa 3D.
Una volta ottenuto il progetto digitale, si passa alla fase di setting delle impostazioni di stampa attraverso un software di slicing. Generalmente, questo è uno step cruciale che potrebbe influire anche sulla buona riuscita e qualità delle parti stampate in 3D. Scegliere le impostazioni di stampa per realizzare una parte in 3D è fondamentale prima di avviare qualsiasi lavoro in macchina. Durante il processo di stampa 3D, il materiale di costruzione viene depositato o fuso secondo le specifiche del modello digitale, indurito o solidificato, e successivamente il processo viene ripetuto per ogni strato fino a completare l'oggetto. Una volta che l'oggetto è stato completamente stampato, può essere sottoposto a ulteriori finiture, come la rimozione di supporti o la levigatura, per ottenere la forma finale desiderata.
Vantaggi della produzione additiva
Come già precisato in questo articolo sui vantaggi della stampa 3D, i vantaggi nell’utilizzo della produzione additiva rispetto ai metodi tradizionali sono, in sintesi:
• Geometrie complesse: L’approccio additivo consente una maggiore libertà di progettazione rispetto ai metodi convenzionali. Con la stampa 3D è possibile ottenere oggetti dalle geometrie complesse, impossibili da ottenere con tecnologie sottrattive. Questo vantaggio apre nuove opportunità per la progettazione di prodotti personalizzati.
• Personalizzazione e produzione su misura: La produzione additiva offre la possibilità di creare prodotti personalizzati e su misura per le esigenze specifiche dei clienti. Grazie alla flessibilità del processo, è possibile apportare modifiche al design in modo rapido ed economico, consentendo la produzione di lotti di produzione più piccoli o addirittura pezzi singoli.
• Riduzione dei costi di produzione: Sebbene i costi iniziali degli equipaggiamenti di stampa 3D industriali possano essere significativi, la produzione additiva può offrire vantaggi economici a lungo termine. Ad esempio, può eliminare la necessità di creare attrezzature costose per la produzione di piccoli lotti di prodotti. Inoltre, la riduzione degli sprechi di materiale e dei tempi di produzione può contribuire a ridurre i costi complessivi.
• Tempi di produzione ridotti: Con la stampa 3D è possibile ottenere una riduzione significativa dei tempi di produzione in quanto, il metodo additivo, non ha bisogno di attrezzi o stampi speciali e consente di produrre parti finite riducendo i tempi di assemblaggio.
• Riduzione degli sprechi di materiale: Nella manifattura additiva, il materiale viene depositato solo dove è necessario, riducendo gli sprechi di materiale rispetto ai processi di sottrazione, come la fresatura o la tornitura. Questo porta a un utilizzo più efficiente delle risorse e può ridurre i costi associati all'acquisto e alla gestione dei materiali.
• Digitalizzazione del magazzino: La manifattura additiva abilita ad un nuovo concetto di magazzino trasformandolo da fisico a digitale. In un magazzino digitale, vengono conservati i file digitali dei modelli tridimensionali degli oggetti, insieme a informazioni aggiuntive come le specifiche di stampa, i materiali utilizzati e altre caratteristiche, utili a stampare in 3D le parti quando e dove servono.
Applicazioni della manifattura additiva: alcuni esempi
La manifattura additiva è utilizzata per la produzione di prototipi, parti personalizzate, strumenti e molto altro ancora. Ha applicazioni in diversi settori, tra cui l'industria automobilistica, l'aerospaziale, l’energia, la medicina, l'architettura e la moda. Le applicazioni della manifattura additiva più utilizzate sono:
• Produzione additiva di prototipi funzionali: La stampa 3D consente di creare rapidamente prototipi fisici di prodotti, consentendo agli ingegneri e ai designer di testare e valutare il design prima di avviare la produzione di massa. Questo riduce i tempi di sviluppo e i costi associati alla produzione dei prototipi tradizionali.
• Produzione additiva di parti personalizzate: La manifattura additiva consente di produrre parti personalizzate e su misura in modo efficiente. Questa tecnologia trova applicazione in ambiti dove è richiesta la produzione di componenti adattati alle specifiche esigenze dei clienti o dei pazienti.
• Produzione additiva di strumenti e attrezzature: la più diffusa. La stampa 3D viene utilizzata per produrre strumenti, attrezzature e dispositivi personalizzati. Ad esempio, può essere impiegata per creare utensili specializzati per la lavorazione di materiali o supporti di fissaggio ad hoc.
• Produzione additiva di componenti leggeri e complessi: La manifattura additiva permette di realizzare componenti con geometrie complesse che sarebbero difficili o impossibili da produrre con i metodi tradizionali. Questa tecnologia è utilizzata nell'industria automobilistica, aerospaziale e meccanica per creare parti leggere, resistenti e complesse come turbine, alloggiamenti di motori e componenti strutturali. Associando la tecnologia a materiali avanzati, come super polimeri e compositi, aiutiamo le aziende ad ottenere ancora più velocemente parti leggere e ottimizzate per l’applicazione finale.