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14/05/2014

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Stampa 3D: quando conviene e a chi?

La stampa 3D è una rivoluzione che va prima di tutto capita per calarla al meglio nella propria realtà. I criteri e i parametri a cui far riferimento per scegliere la stampante 3D più adatta all’esigenze della propria azienda

Le stampanti 3D, che da un paio d’anni sono al centro dell’attenzione dei media, sono macchine che consentono di produrre un oggetto solido partendo da un modello digitale dell’oggetto, realizzato con un software di modellazione 3D o tramite la scansione 3D di un oggetto esistente. La stampa 3D (3D-printing) è una tecnica di produzione additiva (additive manufacturing) che costruisce gli oggetti aggiungendo materiale, contrariamente alle tradizionali macchine utensili (torni, frese, trapani, trance) che invece realizzano i pezzi asportando porzioni di materiale da lingotti o lastre (produzione sottrattiva). 

 

La produzione additiva presenta diversi vantaggi rispetto ai metodi di produzione convenzionali, poiché permette di trasformare direttamente un’idea 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, e consente di creare anche oggetti che è difficile o impossibile ottenere con le tecniche tradizionali. La produzione additiva può inoltre ridurre la quantità di materiale sprecata nei processi di fabbricazione sottrattiva e permette risparmi di energia, sulla logistica e sui trasporti. Anche se la stampa 3D offre indubbiamente enormi possibilità di innovazione nel campo della prototipazione e della produzione, bisogna capire che questa nuova famiglia di tecnologie si integra e si affianca alle tecniche di produzione originali (stampaggio, fusione, produzione con macchine utensili, ecc.), ma probabilmente non le sostituirà mai completamente.

 

Vantaggi e problemi della stampa 3D
Molte aziende hanno già adottato la stampa 3D come componente fondamentale del processo di progettazione per ottenere maggiore innovazione (possibilità di stampare prototipi, perfezionare i progetti e ripetere il ciclo in poche ore); migliore comunicazione (un modello 3D realistico a colori ha un contenuto informativo maggiore rispetto a un’immagine su computer); minore time-to-market (la stampa 3D di prototipi su richiesta consente di snellire i cicli di progettazione); minori costi di sviluppo (riduzione dei costi di prototipazione, identificazione precoce degli errori di progettazione, riduzione degli spostamenti verso gli impianti produttivi); acquisizione di nuovi clienti (possibilità di mostrare modelli 3D realistici a potenziali clienti, sponsor e stakeholder).
Una stampante 3D consente di realizzare in modo economico e rapido un componente, un ingranaggio, un oggetto che può essere già un prodotto finito, senza avviare un processo produttivo per testare un singolo pezzo o modificare solo un componente di un progetto. Inoltre, la notevole versatilità della stampa in 3D permette di realizzare un’infinità di diversi oggetti: prototipi e modelli, ingranaggi, protesi, oggetti per l’arredamento, abbigliamento, gioielli, e molto altro ancora. In generale, conviene stampare un oggetto in 3D quando non esiste o non è più disponibile in commercio oppure il suo costo di acquisto è molto più elevato della stampa o bisogna attendere molto tempo prima di poterne disporre. Ovviamente i vantaggi aumentano se si producono oggetti unici, come parti di ricambio di auto d’epoca o di macchinari costosi e opere d’arte.


Il mercato della stampa 3D si è evoluto notevolmente negli ultimi anni, ma nonostante ciò siamo ancora abbastanza lontani da quella rivoluzione globale che molti profetizzano. Anche se i prezzi delle stampanti sono scesi e sono stati immessi sul mercato strumenti economicamente accessibili, il costo dei materiali necessari per la stampa è ancora elevato. Fino a pochi anni fa si potevano utilizzare solo poche tipologie di materiali. Oggi stanno aumentando ma siamo ancora lontani da un’offerta paragonabile a quella disponibile per i processi tradizionali di produzione. La stampa 3D offre comunque parecchi vantaggi, soprattutto per le piccole aziende e sicuramente costituisce un vantaggio dal punto di vista della creatività, perché dà la possibilità di inventare e sperimentare a costi molto bassi. Riprodurre o creare qualsiasi oggetto diventa economicamente vantaggioso soprattutto se la produzione è limitata, per la produzione di prototipi e come supporto per la progettazione di pezzi innovativi o particolari, per offrire un servizio più efficiente ai clienti.

 

Una scelta da prendere in considerazione
Se fino a qualche anno fa sussistevano molti dubbi legati soprattutto all’utilizzo dei materiali e sulla loro composizione, con la crisi per molte imprese la stampa 3D è diventata una scelta da prendere in considerazione per contenere i costi, soprattutto a fronte di una produzione limitata, e può esser anche ecologica poiché talvolta è possibile utilizzare materiali riciclati. Per esempio, utilizzando macchine come Filabot, un estrusore realizzato dalla Michi-gan Technological University, è possibile riciclare oggetti di plastica per ricavarne bobine di filamenti pronti per la stampa 3D. I prodotti finiti offrono vari benefici, poiché possono essere più leggeri a parità di robustezza, possono avere forme non realizzabili facilmente dai processi produttivi tradizionali, oppure includere anche parti in movimento, come cuscinetti a sfere e cerniere, si possono costruire con più di un materiale e colorare durante la produzione. Il 3D Printing permette anche di produrre in un’unica passata oggetti che richiederebbero l’assemblaggio di più componenti. Poiché ogni oggetto è prodotto individualmente, è ideale per la mass customization.


La barriera di ingresso per l’utilizzo delle 3DP è rappresentato non tanto dal costo quanto dalle cognizioni tecniche necessarie per utilizzarle. Per poter creare un oggetto finito, oltre a una stampante sicura, serve anche una buona conoscenza professionale dei software CAD 3D. Su internet si trovano siti che mettono in condivisione progetti già completi, ma si tratta generalmente di cose molto piccole per il fai-da-te e non di oggetti industriali complessi.

 

Le maggiori opportunità di mercato
La stampa 3D è nata circa 30 anni fa come strumento di prototipazione rapida (rapid prototyping). Infatti, la possibilità di passare rapidamente dal disegno di un oggetto a un oggetto fisico offre indubbi vantaggi di tempi e di costi rispetto alla produzione con metodi tradizionali. Fino al 2010, a causa della scarsa disponibilità di materiali di caratteristiche adeguate, gli oggetti prodotti dalle stampanti 3D non potevano essere utilizzati come prodotti finiti a causa delle proprietà fisiche (robustezza, resistenza al calore, finitura superficiale, colore, etc). Nell’ultimo triennio le tecnologie di produzione additiva, le stampanti 3D e i materiali hanno fatto passi da gigante e la grande diffusione ha prodotto una drastica riduzione dei costi di acquisto e di esercizio, tanto da rendere conveniente anche dal punto di vista puramente economico produrre alcuni tipi di oggetti con le tecnologie additive, in alcuni mercati specifici, in costante espansione.
Le opportunità di mercato sono notevoli nel campo hobbistico/artigianale dei maker (modellismo, giocattoli, accessori, gioielleria, calzature, moda, ceramica, scultura, parti per restauri, pasticceria), per realizzare oggetti unici o personalizzati (con produzione diretta nei FabLab o tramite centri servizi, presenti anche in Italia). Alcuni servizi di stampa 3D dedicati a designer e artisti permettono di vendere gli oggetti prodotti aprendo un negozio sul loro portale web.


Nel campo industriale, i mercati più promettenti, oltre al rapid prototyping, sono: l’industria automobilistica e aerospaziale, la meccanica di precisione, le protesi e altri dispositivi medicali (soprattutto nel campo dentistico), che richiedono un alto livello di personalizzazione e complessità. I campi nei quali è attualmente utilizzata la stampa 3D sono principalmente l’industria motoristica (31,7%), i prodotti di consumo (18,4%), i prodotti industriali (11,2%), il settore medico (8,8%), l’università (8,6%), le applicazioni aerospaziali (8,2%), il settore governativo e della difesa (5,5%) e altre applicazioni (7,7%). La stampa 3D di metalli ha avuto un grande impatto sul settore industriale, dove viene utilizzata per costruire prototipi o prodotti finiti complessi. La gamma dei prodotti fabbricati continua a crescere, man mano che si rendono disponibili nuovi mate-riali metallici utilizzabili nella stampa 3D, al punto che nel settore aerospaziale alcune parti prodotte con i processi di fabbricazione classici, sono state sostituite con quelle ottenute con la produzione additiva.


Una ricerca pubblicata su “International Journal of Engineering and Innovative Technology” quantifica i vantaggi che si possono ottenere per le applicazioni di fonderia utilizzando stampi in sabbia realizzati con stampanti 3D invece che con le tecnologie tradizionali. Anche se con la stampa 3D il costo del singolo stampo è più elevato (in termini di materiale), si ha una riduzione del 65/70% dei tempi e una riduzione del 50% delle ore di lavoro per lo sviluppo dello stampo; ottenendo inoltre un migliore dettaglio superficiale. Il settore della logistica delle parti di ricambio è stato uno dei primi ad adottare la produzione on demand utilizzando la stampa 3D, per minimizzare le scorte e semplificare i processi logistici. Un caso limite è rappresentato dalla NASA, che sta sperimentando un sistema per produrre direttamente in orbita alcune parti di ricambio per la stazione spaziale. La possibilità di costruire molti prodotti vicino all’utilizzatore finale tramite produzione additiva permette di incrementare la flessibilità rispetto alle esigenze del cliente e la velocità di consegna, con significative riduzioni di inventario. In molti casi non è più necessario spedire il manufatto da una fabbrica centrale, ma si può scaricare il file con il modello digitale e fabbricare il prodotto vicino al cliente.

 

Criteri di scelta di una stampante 3D
I costi delle stampanti 3D vanno da meno di 1.000 euro ai 3.000 euro per le stampanti hobbistiche open source o derivate da progetti open source, da alcune migliaia ad alcune decine di migliaia di euro per le stampanti di fascia media, fino a centinaia di migliaia di euro per i modelli più grandi. In generale, poiché i costi delle stampanti 3D crescono in modo esponenziale in funzione delle massime dimensioni degli oggetti che è possibile produrre, è conveniente produrre oggetti complessi e di notevole valore con dimensioni contenute (25-30 cm per le stampanti hobbistiche e artigianali di fascia bassa, 50-60 cm per le stampanti industriali di fascia media, fino a 100 cm e oltre per le stampanti di fascia alta). 
Nel momento in cui si decide di acquistare una stampante 3D è opportuno porsi tre domande:

 

• Perché voglio acquistare una stampante 3D? (efficientamento, ottimizzazione processi).
• Per quali applicazioni sarà utilizzata ? (prototyping, produzione).

• Qual’è il budget disponibile per l’acquisto e per sostenere il costo di gestione del sistema? Per individuare la soluzione più idonea può essere utile considerare i seguenti sette criteri di scelta principali:

 

1. Facilità d’uso, ambiente (ufficio o fabbrica), esperienza necessaria per utilizzarla.
2. Materiali che si possono utilizzare (plastica, metallo, ceramica, ecc.), possibilità di utilizzare contemporaneamente più di un materiale e più colori.
3. Precisione e risoluzione (specialmente dell’asse Z, che rappresenta lo spessore dello strato).
4. Volume massimo degli oggetti realizzabili (footprint).
5. Velocità (tempo necessario per produrre un pezzo).
6. Post processing (raffreddamento, finiture, pulizia, trattamenti superficiali, verniciatura).
7. Prezzo di acquisto e di gestione (materiali, energia elettrica assorbita e manutenzione).

 

Queste informazioni sono indispensabili per un’accurata stima del TCO (total cost of ownership), per il calcolo del ritorno sull’investimento (ROI) e per le analisi comparativa costi/benefici nei confronti dei processi produttivi tradizionali, che devono essere effettuate analizzando il risparmio effettivo sui costi di prototipazione, sull’ottimizzazione del ciclo produttivo e sulla riduzione dei tempi nella proposizione di un nuovo prodotto sul mercato.

 

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