Nelle Road Map per l’Industria 4.0, l’Additive Manufacturing viene considerata una tecnologia abilitante, al pari della robotica e dell’automazione avanzata. Questo perché è una tecnologia nativa digitale che permette l’ideazione e la creazione di oggetti fisici tridimensionali e quindi la loro progettazione e la produzione, a partire da un modello digitale che ne rappresenta il design, sviluppando gran parte del ciclo di vita del prodotto all’interno del calcolatore.
Ne deriva la possibilità di progettare un nuovo prodotto tramite un file nel quale vengono definite determinate specifiche che può andare in stampa da qualsiasi posto e in qualsiasi momento, eliminando l’impatto sulla logistica e potendo decidere per una produzione just in time, quando si determina una reale richiesta di produzione.
Le tecnologie additive, per la loro peculiarità, stanno facendo registrare una rapida crescita in tutti i settori industriali, ma soprattutto nel settore manifatturiero, nell’aerospaziale, nell’automotive e nel medicale, con un mercato che Research and Markets stima supererà i 34 miliardi di dollari entro il 2027, rispetto ai quasi 17 miliardi di quest’anno, con un tasso di crescita annuo del 21% tra il 2021 e il 2027.
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La rivoluzione della produzione
Come ben noto, al contrario della manifattura tradizionale, in cui la realizzazione di un prodotto avviene tramite l’asportazione di materiale da un componente grezzo, con la manifattura additiva il componente viene realizzato mediante l’aggiunta tramite di materiale tramite deposito stratificato.
Il vantaggio delle tecnologie additive è legato una versatilità senza precedenti che, grazie ad una tecnologia in continua evoluzione in termini di software, materiali e hardware di progettazione, sta portando ad una rivoluzione nella produzione manifatturiera che contempla anche aspetti relativi alla sostenibilità.
“L’Additive manufacturing è un insieme di tecnologie di produzione e processi di trasformazione che hanno un impatto profondo su diverse fasi della catena del valore, consentendo di creare prodotti personalizzati e con caratteristiche geometriche complesse, non realizzabili con le tecniche tradizionali, utilizzando una minor quantità di materia prima, ma ancor più una riduzione dei tempi di prototipazione e dei costi relativi alle varianti, permettendo di accorciare il time to-market e favorendo la risoluzione dei problemi nella supply chain”, afferma Bianca Maria Colosimo, professoressa del Dipartimento di Ingegneria Meccanica Politecnico di Milano ed esponente di MADE Competence Center I4.0, struttura che dedica all’Additive Manufacturing una delle sei aree dimostrative negli edifici di via Durando a Milano.
Questo set di tecnologie rappresenta la chiave di volta per affrontare tre delle principali sfide in ambito industriale 4.0: digitalizzazione, sostenibilità e personalizzazione.
Le potenzialità di sviluppo presenti e future
“Le tecnologie additive consentono margini sempre più ampi per un loro impiego nella produzione di prodotti anche complessi in termini di geometrie e forme, per aspetti che riguardano l’alleggerimento e il miglioramento delle prestazioni oppure una migliore integrazione, se pensiamo al settore aerospaziale e all’ambito biomedicale, anche in relazione alla possibilità di creare prodotti customizzati semplicemente modificando il file di stampa”, precisa Colosimo.
Un aspetto interessante è proprio quello relativo alla customizzazione di massa. Nell’ambito manufacturing, il paradigma sta passando dalla “Mass production” alla “Mass customization”, anche grazie alle ampie possibilità di personalizzazione offerte dalla stampa 3D.
Al momento sono sette le tecnologie di produzione additiva classificate dall’Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO/ASTM 52900:2021) e consentono di lavorare ogni tipo di materiale, dai polimerici ai metallici e ai ceramici, per citare i principali. Basti pensare all’ambito dell’edilizia, nel quale fervono le idee per la stampa 3D di prodotti da costruzione, e al settore dell’efficienza energetica con prodotti in grado di supportare la transizione ecologica grazie a nuovi sistemi e soluzioni per la produzione di energia che possono essere stampati in 3D con estrema facilità.
“Un esempio tipico sono gli scambiatori di calore: la totale libertà di design consentita dalle tecnologie di produzione additiva e stampa 3D permette oggi di ripensare la progettazione di questi elementi, favorendo la progettazione, lo sviluppo e produzione di dispositivi di scambio termico più leggeri, compatti e performanti, oltreché più efficienti e affidabili nei processi di raffreddamento e riscaldamento industriale. Anche in questo caso, partendo da un disegno si riesce a produrre oggetti molto complessi”, ribadisce Colosimo.
Il tema dell’alleggerimento e della riduzione del numero di componenti è un’altra grandissima potenzialità delle tecnologie additive. In alcuni casi si arriva ad una riduzione molto importante del numero di componenti, da 20/30 ad un unico componente; fattore che comporta anche un’estensione della vita utile dei prodotti stessi, perché è nelle giunzioni dei prodotti assemblati che normalmente si nascondono le maggiori fragilità in termini di utilizzo del bene. La riduzione dei componenti consente inoltre di ridurre tutta la logistica legata ad una componentistica proveniente da diversi fornitori. “Questo è un tema non ancora pienamente sfruttato perché richiede un cambio di paradigma a livello di progettazione di prodotto, essendo molto ampio il ventaglio di possibili soluzioni a livello di design del prodotto”, precisa Colosimo.
Altri due interessanti vantaggi sono quello relativo alla produzione delle parti di ricambio, che grazie alla stampa just-in-time permette di ridurre se non eliminare le scorte di magazzino, e quello del repair (riparazione) di prodotti usurati. Anche in questo caso si favorisce l’estensione della vita utile del prodotto. “Un vantaggio particolarmente significativo rispetto ai sistemi di produzione tradizionali per ambiti in cui la logistica è molto complessa, come nel caso della riparazione delle pareti di turbina sulle piattaforme marine”, precisa Colosimo.
Stampa 3D e sostenibilità
Nell’ambito della sostenibilità, un aspetto rivoluzionario riguarda l’uso di materiali riciclati: grazie alla stampa 3D tutti i polimeri e materiali termoplastici possono essere riciclati ed avere una seconda vita. “Anche i materiali a base biologica per la stampa 3D, ricavati chimicamente da prodotti naturali, sono al centro di studi innovativi che hanno come obiettivo l’incremento delle performance rispetto a quelli che sono nativamente biodegradabili”.
Una delle dimensioni più evolute, inoltre, è quella che riguarda la scienza della vita con la tecnica del bioprinting. “Si tratta di un processo che usa la tecnologia di stampa 3D per creare strutture biologiche complesse, sostituendo i materiali normalmente utilizzati prevalentemente di origine plastica, metallica e polimerica, con delle cellule umane viventi, come ad esempio cellule staminali o altri composti organici, per riprodurre artificialmente tessuti, vasi sanguigni e nel lungo periodo anche organi”, spiega Colosimo. “Al Politecnico di Milano abbiamo un laboratorio molto importante sui materiali metallici ma anche uno sulla stampa bio, intesa come bio printing. Si tratta di tecniche e prodotti al momento utilizzati per la ricerca in ambito farmacologico, nella cosmetica e nel food. Una conferma del fatto che l’additive è una tecnologia molto potente e promettente anche grazie ai molti materiali che riesce ad utilizzare”, prosegue Colosimo.
I benefici dell’additive nell’ambito digitale
I benefici delle tecnologie additive in ambito digitale sono legati alla possibilità di progettare il prodotto al computer e simularne tutte le prestazioni in termini meccanici. “È possibile simulare anche il processo. Nella fase di stampa, tramite foto e video camere, si ha la possibilità di controllare istante per istante la firma del processo. È come se si disponesse della carta d’identità del processo e, grazie ai big data, altra tecnologia abilitante dell’industria 4.0, è possibile identificare la presenza di eventuali anomalie e riparare il prodotto nell’istante in cui viene rilevata la difettosità, adeguando i parametri di processo. Teoricamente questo consente di andare verso una produzione “zero defect” e “zero waste”, potendo risolvere il problema nella fase di produzione”, spiega Colosimo.
Oggi, grazie ai sensori e all’intelligenza artificiale le macchine diventano quasi autonome e sviluppano la capacità di intervenire sui processi. Inoltre, la grande mole di informazioni che si riesce ad ottenere durante il processo di stampa, può viaggiare verso un digital twin (gemello digitale) che, aggiornato in real time dai dati, consente di prenderne decisioni per risolvere problematiche o ottimizzare il processo, cambiando determinati parametri e elaborando comandi da impartire alla stampante.
Questo aspetto è connesso anche al tema della qualità 4.0. “La stampa 3D abilita la produzione di forme e geometrie complesse che sono difficilmente ispezionabili. La possibilità di effettuare una qualifica in situ, strato su strato, semplifica il problema dell’ispezione a valle. D’altro canto, oggi, l’ispezione non distruttiva per geometrie complesse è abilitata dalle tecnologie X-RAY, come ad esempio la tomografia computerizzata. Il Made Competence Center dispone di uno dei tomografi più performanti nel panorama nazionale. Grazie ad una risoluzione molto elevata, la tomografia permette di avere una visione chiarissima della complessità geometrica e della presenza di eventuali vuoti all’interno del prodotto (la porosità è uno dei problemi dei prodotti realizzati con la stampa 3D). Con la scansione tomografica è quindi possibile ripensare la progettazione del prodotto, innescando un loop virtuoso che consente di eliminare i difetti che caratterizzavano il precedente modello”, afferma Colosimo. I dati acquisiti in situ nel corso del processo di stampa in modo retroattivo permettono di risolvere le problematiche di prodotti con geometrie complesse.
Le competenze e il ruolo di MADE Competence Center
L’integrazione delle tecnologie AM nei processi produttivi richiede competenze multidisciplinari che coprano tutti gli aspetti finora considerati, dalla progettazione al prodotto finito. Una scarsa conoscenza dei processi e della progettazione per l’additive manufacturing è uno dei limiti che ancora ostacola l’ulteriore diffusione di queste tecnologie soprattutto nell’ambito delle PMI.
“Il MADE è un dimostratore del ruolo molto stretto tra progettazione prodotto, prototipazione e produzione. Le sue “isole” raccontano come è possibile ripensare al design di prodotto e andare in stampa con un nuovo design che ha prestazioni migliorate presentando soluzioni avanzate di progettazione, tecniche di trattamento e caratterizzazione dei materiali, fino alle soluzioni di controllo della qualità, monitoraggio e simulazione di processo. È possibile imparare toccando con mano le potenzialità della tecnologia, sia nel campo dei materiali polimerici che metallici. Permette quindi di vedere tutte le dimensioni del ciclo di vita del prodotto, dalla progettazione, alla produzione, fino alla qualifica, compreso un sistema per la finitura superficiale di canali complessi interni al prodotto”, afferma Colosimo.
Rispetto all’offerta formativa, MADE offre dei moduli di avvicinamento alle tecnologie additive per comprenderne tutte le potenzialità e due moduli verticali, più importanti: uno per la Qualifica Internazionale di Metal additive manufacturing – process engineer powder bed fusion – laser Beam e l’altro per la Qualifica Internazionale di Specialista Additive Manufacturing Metal Binder Jetting, con diploma finale rilasciato dal Certificato Europeo “International MAM Process Engineer PBF-LB”.
