Industria 5.0: portare in azienda le competenze di Stampa 3D

La produzione nell’era dell’Industria 5.0 è ormai un processo trasformativo, in cui la velocità garantita dalla tecnologia fa il paio con la qualità derivata dalla capacità di padroneggiare il dato.

L’Additive Manufacturing o Manifattura Additiva, detta anche Stampa 3D, rappresenta un vero punto di svolta per il settore manifatturiero. Consente di affrontare tre sfide importanti dell’ambito industriale: digitalizzazione, sostenibilità, personalizzazione.

L’obiettivo principe è ottimizzare la strategia produttiva e la competitività, trasformando la propria azienda in una Smart Factory.

Perché è fondamentale formare il proprio personale su questa tecnologia? Per Ingegneri, progettisti, imprenditori e manager è ormai un imperativo comprendere come e quando sfruttarla nelle proprie imprese sempre più connesse e intelligenti. 

La manifattura additiva, spesso conosciuta come stampa 3D, è una tecnologia produttiva che consente di creare oggetti tridimensionali a partire da modelli digitali, con la filosofia strato su strato, aggiungendo quindi strati successivi di materiale, seguendo le istruzioni impartite da un computer. Si contrappone alle tecniche tradizionali di manifattura sottrattiva, chiamate così perché il materiale viene rimosso da un blocco iniziale. Abbraccia diverse tecnologie e ha applicazioni che spaziano dall'industria aerospaziale alla medicina, fino al design di prodotto e all'architettura.

Anche se possono essere usati come sinonimi, i due termini hanno delle sfumature leggermente differenti. La stampa 3D è spesso associata a utilizzi consumer, con macchine relativamente economiche.

La manifattura additiva, invece, è un termine più ampio che include sia la Stampa 3D che tecnologie avanzate utilizzate in contesti professionali e industriali, che possono lavorare con metalli e materiali compositi di alta qualità.

La sua storia inizia nei primi anni '80, con il deposito di tre brevetti tra il 1981 e il 1984.

Chuck Hull, uno dei pionieri del settore, ha coniato il termine “stereolitografia” (SLA): questa tecnica prevede la sinterizzazione di un fotopolimero per mezzo di un laser.

Qui la tecnica di produzione strato per strato è già messa a fuoco: si parte da una resina liquida, che viene resa solida grazie a un processo di fotopolimerizzazione sfruttando l’energia di una sorgente laser. Chuck Hull ha anche fondato 3D Systems, una delle aziende leader del mercato.

Nel 1987 c’è il primo tentativo di “prototipazione rapida”, cioè “l’applicazione della fabbricazione additiva destinata a ridurre il tempo necessario a produrre prototipi”. Se ne realizzano di tre tipi: concettuali, estetici, funzionali.

Tutte e tre servono per tracciare i confini e le possibilità della tecnologia e comprenderne le potenzialità. I primi tentativi di ottenere utensili per la manifattura additiva si hanno nel 1995. In gergo vengono chiamati Rapid Tooling, ed è l’applicazione della manifattura additiva per l'utensileria o componenti di utensili con tempi di realizzazione ridotti rispetto alla fabbricazione convenzionale.

Durante gli anni 2000 e i primi anni 2010, la tecnologia ha visto una grande espansione tra i consumatori grazie alla scadenza di importanti brevetti, che hanno permesso la produzione di stampanti 3D a basso costo. Successivamente, l'attenzione del mercato si è spostata verso applicazioni industriali.

Research and Markets nel 2023 ha pubblicato uno studio sul mercato globale della produzione additiva, stimando un fatturato mondiale che arriverà a 44,03 miliardi di dollari entro il 2027, rispetto ai 16,83 miliardi di dollari del 2022, con un tasso di crescita annuale del 21% nel periodo 2021-2027. 

La Manifattura Additiva è una pietra angolare dei sistemi di produzione del futuro: influenzerà ogni settore e toccherà tutte le fasi del ciclo di vita del prodotto.

La stampa 3D offre una libertà geometrica senza precedenti, permettendo la creazione di design complessi senza le restrizioni tipiche dei metodi tradizionali.

È particolarmente efficace nella manifattura di materiali difficili da trattare, come il titanio, rendendo possibile la realizzazione di componenti avanzati con maggiore facilità.

In termini di costi, la stampa 3D elimina la necessità di tooling, riducendo significativamente i costi unitari per piccole quantità e rendendo più accessibili le macchine entry-level.

La velocità di consegna per prototipi e piccoli lotti è un altro punto di forza, accelerando il ciclo di sviluppo del prodotto.

Inoltre, la configurazione manuale ridotta e la possibilità di utilizzare alcune stampanti in ambienti non industriali aumentano la loro usabilità.

Inoltre, contribuisce anche a migliorare la sostenibilità dei processi produttivi. Riducendo gli sprechi di materiale e consentendo una produzione più efficiente, questa tecnologia si allinea perfettamente con gli obiettivi ambientali.

Tuttavia, l’Additive Manufacturing presenta alcune limitazioni. Le sezioni sporgenti richiedono strutture di supporto, che possono essere difficili da rimuovere, complicando il processo.

Le termoplastiche più resistenti necessitano di stampanti costose e un controllo rigoroso dell’ambiente a causa dei punti di fusione elevati. I costi delle macchine industriali sono ancora alti, e i materiali utilizzati spesso risultano più costosi rispetto a quelli tradizionali come pellet e tavolette.

La velocità di stampa è inferiore rispetto ai processi tradizionali come lo stampaggio, rendendo la produzione di massa meno competitiva. Infine, i sistemi professionali e industriali richiedono una curva di apprendimento ripida, rappresentando una sfida per gli operatori meno esperti.

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Fonde grani di polvere con una fonte di calore. Include processi per metallo (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) e per plastica, come Selective Laser Sintering (SLS) e Multi Jet Fusion (MJF) di HP.

Fonde il materiale e lo passa attraverso un ugello, depositando strati bidimensionali complessi. La tecnologia principale è la Fused Deposition Modeling (FDM), anche chiamata Fused Filament Fabrication (FFF), fabbricazione a filamento fuso. 

Simile alla stampa a getto d'inchiostro, dove le testine di stampa erogano gocce di materiale che si solidificano per raffreddamento o polimerizzazione UV.

Usa una sorgente di luce per polimerizzare selettivamente strati di resina liquida. Include la stereolitografia (SLA) e il digital light processing (DLP). 

Usa un legante adesivo su un letto di polvere, creando parti senza calore. 

Usa un ugello su un braccio robotico per depositare polvere o filo metallico, fuso poi da un fascio laser o di elettroni. Varianti includono Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) e Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM).

La stampa 3D supporta una vasta gamma di materiali, dalle termoplastiche economiche alle leghe di titanio per l'aerospaziale.

I polimeri termoplastici sono i più comuni, come PLA, ABS, PETG, TPU, PC e vari tipi di nylon. Le macchine ad alta temperatura possono lavorare PEEK e PEI (Ultem). Le stampanti SLS utilizzano poliammidi (nylon) e altri plastici come PP, PS e TPU.

Includono polveri di titanio e nickel (Inconel) per aerospaziale e biomedico, leghe di alluminio per usi generali, rame per scambiatori di calore e superleghe per componenti aerospaziali.

Sono utilizzate principalmente nella stereolitografia (SLA) e nella digital light processing (DLP).

I polimeri di base più comuni sono nylon e ABS. Le macchine SLS possono lavorare polveri composite caricate. La tecnologia avanzata deposita fibre continue per parti ad alta resistenza.

Altri materiali includono argilla, ceramiche tecniche come allumina e zirconia, gesso, cera, silicone, carta e materiali commestibili, ciascuno con applicazioni specifiche.

Con la manifattura additiva possiamo realizzare geometrie molto complesse. Giocando quindi con la geometria dei componenti possiamo trovare nuove applicazioni e considerare inedite possibilità di sviluppo e business. 

Align Technology ha trasformato l'ortodonzia con gli allineatori trasparenti Invisalign, realizzati tramite stampa 3D con fotopolimerizzazione in vasca. L'azienda stampa circa mezzo milione di pezzi al giorno e recentemente ha acquisito Cubicure per produrre direttamente gli allineatori. La manifattura additiva permette la realizzazione di modelli anatomici dettagliati, utili per l'apprendimento degli aspiranti medici e per la preparazione agli interventi chirurgici. Ad esempio, in combinazione con la TAC o la risonanza magnetica è possibile riprodurre fedelmente la conformazione del cranio umano anche nei minimi dettagli.

Dal 2017, Adidas utilizza la stampa 3D per creare intersuole flessibili e performanti con modelli complessi, collaborando con Carbon per la linea di scarpe “4D”. New Balance, in collaborazione con Formlabs, utilizza la stessa tecnologia per migliorare le intersuole delle sue scarpe da running. Nella moda, data la libertà di progettazione che la produzione additiva consente, i designer possono creare forme complesse, pezzi originali e texture dall’aspetto unico. L'utilizzo di materiali avanzati e la possibilità di personalizzazione permettono ai designer di esplorare nuove possibilità creative, offrendo prodotti unici e di alta qualità.

Relativity Space, leader nell'uso della manifattura additiva per l'industria aerospaziale, utilizza il sistema Stargate per stampare parti metalliche di grandi dimensioni. Il veicolo di lancio Terran R, previsto per il 2026, sarà dotato di 13 motori Aeon R stampati in 3D. Anche aziende come AMCM (consociata di EOS) e Velo3D utilizzano tecnologie DMLS e PBF per la produzione di componenti per motori a razzo.

Per sfruttare appieno le potenzialità della stampa 3D, è cruciale per le aziende del settore industriale e manifatturiero investire nella formazione continua del proprio personale. Le tecnologie di manifattura additiva sono in costante evoluzione, richiedendo skill sempre aggiornate per progettare, gestire e ottimizzare i processi in ogni loro aspetto.

Attraverso corsi mirati e aggiornamenti costanti, come il corso elearning Introduzione alla Manifattura Additiva progettato da Gility e MadeInAdd, le aziende possono garantire che i loro team siano preparati a utilizzare le nuove tecnologie in modo efficiente e competitivo, assicurando così una crescita sostenibile e un vantaggio competitivo duraturo.

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Implementare con successo la manifattura additiva in azienda richiede un mix di competenze tecniche avanzate e soft skill. Le iniziative di reskilling e upskilling sono fondamentali per assicurare che il personale sia allineato con le ultime tecnologie e metodologie del settore. Garantire a tutta l’azienda una conoscenza di base di questa tecnologia aiuta a pensare diversamente e generare maggior innovazione.

Per operare efficacemente con la manifattura additiva, sono necessarie solide competenze tecniche in vari campi:

• Ingegneria: una comprensione dei principi ingegneristici è necessaria per progettare e ottimizzare componenti additivi. Questo include conoscenze in meccanica, termodinamica e ingegneria dei materiali.

• Materiali: la conoscenza dei vari materiali utilizzati nella stampa 3D, come polimeri, metalli, ceramiche e compositi, è importantissima. Ogni materiale ha proprietà uniche che influenzano il processo di stampa e il risultato finale.

• Software di progettazione CAD: la capacità di utilizzare software CAD (Computer-Aided Design) è fondamentale per creare modelli tridimensionali precisi. Conoscenze in software di slicing, come Cura o Simplify3D, sono altrettanto importanti per convertire i modelli in istruzioni per la stampante.

Oltre alle competenze tecniche, alcune soft skill sono indispensabili per lavorare con la manifattura additiva:

• Problem Solving: La capacità di affrontare e risolvere problemi complessi è essenziale, data la natura innovativa e spesso sperimentale della manifattura additiva.

• Creatività: La manifattura additiva offre nuove opportunità di design che richiedono un approccio creativo e fuori dagli schemi.

• Capacità di lavorare in team: i progetti di manifattura additiva spesso coinvolgono team multidisciplinari. È quindi cruciale saper collaborare efficacemente con colleghi di diversi settori.

Dall’unione di due realtà innovative nate come progetti di sistema su iniziativa di CDP Venture Capital, Gility e MadeInAdd, arriva il primo percorso di formazione italiano sulla manifattura additiva. Il corso "Introduzione alla Manifattura Additiva" offre un'opportunità unica per ingegneri, progettisti, imprenditori e manager di comprendere come e quando sfruttare la manifattura additiva nelle loro organizzazioni per generare valore aggiunto, innovazione e aumentare la competitività. Progettato con il patrocinio del CIM 4.0 e i docenti del Politecnico di Torino, il corso esplora i fondamenti tecnici, le applicazioni industriali, i vantaggi e i limiti di questa tecnologia rivoluzionaria. La formazione, disponibile sulla piattaforma Gility, è strutturata per garantire un apprendimento efficace attraverso il microlearning e l'interattività, rendendola accessibile e coinvolgente. Gli altri moduli del corso, che verranno rilasciati tra il 2024 e il 2025, approfondiranno ulteriormente aspetti specifici come il design for additive manufacturing, il workflow e l'adozione dell'AM in azienda. Il corpo docente d'eccellenza, composto da professionisti di altissimo profilo del Politecnico di Torino (i professori ordinari Luca Iuliano ed Eleonora Atzeni, massimi esperti italiani sulla Manifattura Additiva), CIM 4.0 e MadeInAdd, garantisce una formazione di valore, offrendo ai partecipanti competenze pratiche e strategiche per portare la manifattura additiva nelle loro aziende e costruire la fabbrica del futuro. Vuoi riservare il corso ai i tuoi dipendenti? Richiedi maggiori informazioni sul nostro percorso formativo.

Investire nella comprensione e nell'applicazione della manifattura additiva non è solo una scelta tecnologica, ma una necessità per rimanere al passo con l'evoluzione del mercato e rispondere efficacemente alle sfide dell'Industria 5.0. 

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