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18/02/2014

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La stampa 3D: tecnologie, opportunità e problemi

Una nuova frontiera che oggi sembra interessare di più il segmento consumer, ma che è destinata a cambiare i processi produttivi anche nelle aziende manifatturiere

La stampa 3D (3D-printing o anche 3D-P) è un processo di produzione di oggetti tridimensionali a partire da un modello digitale che permette di creare oggetti completi o parti attraverso un processo di stratificazione sequenziale (layering). E’ una tecnica di produzione additiva (additive manufacturing) che costruisce gli oggetti aggiungendo materiale invece di asportare porzioni di materiali esistenti (produzione sottrattiva) come fanno le tradizionali macchine utensili. La produzione additiva è paragonabile alla realizzazione degli oggetti di argilla, vetro o porcellana, mentre la produzione sottrattiva è come la scultura di marmo e legno. Con il 3D-P si possono creare oggetti utilizzando vari materiali: plastica, metalli, ceramiche, argilla, vetro, carta, cioccolato e persino cellule viventi (bioprinting). Queste materie prime sono utilizzate dalla stampanti 3D quali ‘consumabili’ sotto forma di polveri, filamenti, liquidi o lamine. Alcune macchine permettono di produrre oggetti con diversi colori, composti da materiali diversi, anche con alcune parti a geometria variabile o rotanti, poiché possono realizzare cerniere, cuscinetti a sfera, molle, e altro.

Per la stampa 3D sono disponibili numerose tecnologie, che si differenziano per il modo in cui sono costruiti gli strati che creano gli oggetti. Alcuni metodi, come il selective laser sintering (SLS) e la modellazione a deposizione fusa (fused deposition modeling, FDM), usano materiali che si fondono o si ammorbidiscono per produrre gli strati, mentre altri, come la stereolitografia (SLA) depongono materiali liquidi che vengono induriti con diverse tecnologie. Nei sistemi di laminazione (Laminated Object Manufacturing LOM), fogli sottili di materiali vengono tagliati e uniti insieme per ottenere la forma voluta.

 

Il processo della stampa 3D
Ogni metodo ha i propri vantaggi e limitazioni, quindi alcuni produttori offrono più di una tecnologia. I principali fattori che entrano in gioco quando si intende scegliere una macchina sono generalmente le dimensioni, la velocità di produzione, il costo della macchina, i costi e la scelta dei materiali e la possibilità di utilizzare vari colori e materiali.
Per produrre un oggetto tramite un processo di stampa 3D, si seguono i seguenti passi.

 

1. Mediante strumenti di progettazione CAD 3D (o scanner 3D se si vuole riprodurre un oggetto esistente) si crea un modello digitale dell’oggetto.

 

2. Si esporta il modello a una stampante 3D tramite un file in formato STL (Standard Tessellation Language) o AMF (Additive Manufacturing File Format) che descrive il pezzo come un insieme di strati (layer).

 

3. La stampante 3D ‘legge’ il file e produce il pezzo strato per strato.

 

4. L’oggetto prodotto viene sottoposto a eventuali operazioni di finitura (pulitura, trattamenti superficiali).

 

Il 3D-P presenta diversi vantaggi rispetto ai metodi di produzione convenzionali: un’idea si può trasformare direttamente in un prototipo o in un prodotto finito partendo da un file sul computer di un progettista, evitando intermediari e molti stadi della produzione tradizionale. La produzione additiva può inoltre ridurre la quantità di materiale sprecata nei processi di fabbricazione e creare oggetti che è difficile o impossibile ottenere con le tecniche tradizionali. I prezzi delle stampanti 3D variano da poche centinaia di euro per le stampanti amatoriali in grado di produrre piccoli oggetti in plastica o argilla alle decine e centinaia di migliaia di euro per le stampanti industriali che producono grandi parti metalliche.

 

Applicazioni e impatti sul mercato
Secondo le principali società di analisi come Gartner, Frost&Sullivan, McKinsey e Wohlers, la stampa 3D è una delle tecnologie emergenti che rivoluzioneranno le nostre vite nei prossimi 10/20 anni. Wohlers prevede che il mercato mondiale delle stampanti e dei servizi 3D, che nel 2012 valeva 2 miliardi di dollari, dovrebbe superare i 10 miliardi di dollari entro il 2021. Secondo McKinsey, a partire dal 2025 il 3D-P produrrà un impatto economico globale compreso tra i 230 e i 550 miliardi di dollari all’anno.
Le opportunità di mercato sono notevoli sia nel campo hobbistico/artigianale dei maker (modellismo, giocattoli, accessori, gioielleria, calzature, moda, ceramica, scultura, parti per restauri, pasticceria), sia per realizzare oggetti unici o personalizzati (con produzione diretta nei FabLab o tramite centri servizi), sia nel campo industriale (dalla realizzazione di prototipi alla produzione di parti funzionali). I mercati più promettenti sono, oltre al rapid prototyping, produzione artigianale, industria aerospaziale, meccanica di precisione, protesi e altri dispositivi medicali, che richiedono un alto livello di personalizzazione e complessità.
La possibilità di costruire molti prodotti vicino all’utilizzatore finale tramite produzione additiva con le stampanti 3D permetterà di incrementare la flessibilità rispetto alle esigenze del cliente e la velocità di consegna, con significative riduzioni di inventario. Non sarà più necessario spedire il manufatto da una fabbrica centrale, ma si potrà scaricare il file con il modello digitale e fabbricare il prodotto vicino al cliente. La produzione additiva può portare a un cambiamento profondo della filiera produttiva, modificando i ruoli degli attori e proponendo nuovi modelli di business. Questo cambiamento aprirà nuove opportunità e sfide all’industria italiana, permettendo produzioni flessibili e localizzate vicino agli utilizzatori.

 

Le questioni aperte sulla stampa 3D
Come tutte le tecnologie rivoluzionarie emergenti, anche il 3D-printing soffre di alcuni ‘problemi di gioventù’, molti dei quali sono in via di soluzione. Elevati costi delle macchine, soprattutto per quelle indirizzate al mercato industriale. Secondo McKinsey, il prezzo medio delle stampanti 3D per applicazioni industriali è di 75.000 dollari e può anche superare il milione di dollari per alcuni modelli di punta. Però i prezzi sono in rapida discesa, per varie ragioni: la prossima scadenza dei brevetti delle principali tecnologie di produzione additiva, che favorirà la diminuzione dei prezzi grazie alla cessazione dei pagamenti dei diritti; le economie di scala derivanti dal numero sempre maggiore di macchine vendute; il progresso tecnologico, che migliorando la qualità, la versatilità e le prestazioni delle macchine, favorisce il downsizing delle macchine, a cui si aggiunge la concorrenza dal basso delle stampanti amatoriali RepRap, che costano anche meno di 1.000 dollari e possono sostituire in taluni casi le stampanti industriali di fascia bassa.
Elevati costi e scarsa disponibilità dei materiali e modeste caratteristiche meccaniche. Mentre nel campo del 3D-P amatoriale i principali materiali come ABS e PLA sono ormai standardizzati ed è possibile acquistarli sul libero mercato, per le stampanti industriali le materie prime sono spesso fornite esclusivamente dai produttori della stampante, poiché vengono progettate e prodotte per garantire il funzionamento ottimale delle macchine a cui sono destinate. Sono però in atto ricerche per realizzare nuovi materiali sempre più performanti e ‘intelligenti’ e gli enti di standardizzazione sono al lavoro per definire alcuni materiali standard che dovrebbero essere utilizzabili su tutte le macchine, con notevoli economie di scala.
Non manca la possibilità di calcolare il TCO e il ROI dei singoli sistemi di stampa 3D, basta fare riferimento ai dati della contabilità industriale, quando questi sono facilmente recuperabili. Manca invece un modello generale per calcolare la convenienza della produzione con sistemi additivi rispetto a quelli tradizionali che tenga conto di tutte le variabili della supply chain logistico produttiva.


Tempi di produzione lunghi

La stampa 3D è particolarmente adatta per produrre in piccola scala oggetti complessi e non sostituirà per lungo tempo la produzione su larga scala di oggetti semplici. Però le stampanti 3D diventano sempre più veloci ed efficienti. Se si considera tutto il ciclo di vita di un prodotto: progetto, prototipazione, attrezzaggio, produzione delle parti, montaggio, finitura, gestione dei magazzini, spedizioni, appare chiaro che i processi di produzione 3D, anche se sono più lenti di quelli tradizionali, rendono più veloce la progettazione, spesso non richiedono il montaggio, semplificano la supply chain e riducono drasticamente i tempi di spedizione.
Necessità di nuove competenze e organizzazioni. La diffusione della stampa 3D richiede notevoli competenze relative alla progettazione CAD 3D e alla gestione di macchine elettroniche sempre più sofisticate. Si potrebbero quindi creare problemi di occupazione per la manodopera generica che opera sulle linee di montaggio e nei magazzini, e una domanda non soddisfatta di personale esperto nella progettazione CAD 3D e nella gestione delle macchine. E’ anche probabile che in taluni casi si passi da poche grandi fabbriche a piccole unità produttive distribuite sul territorio.
In prospettiva, la diffusione della produzione additiva può favorire l’aggravamento di alcune problematiche. Infatti, con uno scanner e una stampante 3D diventa facile riprodurre perfettamente oggetti protetti da marchi e brevetti, favorendo la contraffazione dei prodotti. Molto preoccupante è inoltre la facilità con cui criminali e terroristi potrebbero produrre ‘oggetti proibiti’ come armi e altri oggetti pericolosi. Inoltre, come già avviene per il commercio elettronico, diventerà molto più facile per le aziende multinazionali decidere in base alla propria convenienza in quali Paesi investire, produrre, creare occupazione e pagare le tasse.
 

 

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