Le principali sfide della manifattura additiva e come superarle

I processi di fabbricazione additiva (AM) prevedono l'aggiunta di materiale fino al completamento del prodotto. L'AM è l'opposto della produzione sottrattiva (SM), i tradizionali metodi dell'officina meccanica che tagliano via un materiale solido fino a completare l'oggetto. La stampa 3D è l'attività più spesso collegata alla produzione additiva, ma comprende anche tecnologie quali:

• Estrusione - Il materiale viene spinto attraverso una matrice o un orifizio per creare la forma desiderata. I materiali più frequentemente utilizzati nell'estrusione sono metalli, plastiche e materiali compositi. Esempi di prodotti realizzati con l'estrusione sono tubi, fili, telai di finestre e lattine di alluminio.
• Laminazione - Combinazione di due o più strati di materiale. Viene spesso utilizzata per proteggere e conservare documenti, fotografie e altri materiali, aggiungendo resistenza e rigidità. I materiali vengono uniti tra loro mediante calore, pressione o un adesivo. La laminazione è utilizzata in diversi settori, tra cui la stampa, l'imballaggio e la produzione.
• Binder Jetting - Un agente legante viene incorporato nel processo per combinare particelle di polvere metallica, ceramica o composita. La polvere viene sparsa in modo sottile e poi legata selettivamente con il legante. Il jetting di leganti è relativamente rapido e può produrre parti complesse con elevata precisione e dettaglio.
• Jetting di materiale - Una tecnologia di stampa 3D che utilizza una resina fotopolimerica liquida polimerizzata con luce UV. Simile alla stereolitografia (SLA), il getto di materiale getta gocce di materiale su una piattaforma di costruzione, strato per strato, in base a un file CAD (Computer-Aided Design) 3D. Dopo il deposito di ogni strato, il materiale viene polimerizzato con luce UV, producendo parti altamente dettagliate e precise. La stampa a getto di materiale può avvenire in un'ampia gamma di materiali, tra cui resine trasparenti, gommose e flessibili.
• Deposizione diretta di energia (DED) - I fasci ad alta energia, come i fasci di elettroni, i fasci laser e gli archi di plasma, fondono e depositano il materiale in modo controllato per costruire un pezzo tridimensionale strato per strato. Questo processo offre diversi vantaggi rispetto ai tradizionali metodi di produzione sottrattiva o formativa, come una maggiore flessibilità di progettazione, tempi di lavorazione più rapidi e la capacità di produrre pezzi con geometrie e forme complesse.
• Powder Bed Fusion (PBF) - Un'altra tecnologia di stampa 3D che sviluppa parti complesse strato per strato da metallo o plastica in polvere. Nella PBF, un laser fonde e fonde selettivamente piccole particelle di materiale in un letto di polvere. Questo processo viene ripetuto fino alla produzione del pezzo 3D. La PBF può produrre pezzi con geometrie complesse e dettagli intricati con elevata precisione e ripetibilità.
• Polimerizzazione in vasca - Un processo di polimerizzazione in massa in cui i monomeri vengono aggiunti a una vasca o a un contenitore e riscaldati in condizioni strutturate. Il calore fa sì che i monomeri reagiscano o polimerizzino e formino un polimero. Questo processo consente di formare polimeri di peso molecolare più elevato rispetto ad altri processi di polimerizzazione.

Questo articolo esplora le sfide (primarie, tecniche, operative, organizzative) nel settore della produzione additiva, come superarle e come risolverle lavorando con un partner esperto di produzione additiva.

Esistono diverse opportunità per migliorare il settore della produzione additiva. Queste sfide includono le seguenti:

• Spese in conto capitale - L'investimento iniziale per le apparecchiature di stampa 3D è notevole, ma non così grande come i tradizionali metodi di produzione sottrattiva. Anche le attuali condizioni economiche contribuiscono all'avversione per le grandi spese in conto capitale. Le spese in conto capitale possono essere difficili da giustificare con un'incursione in un settore nuovo e dinamico. Se l'intento è quello di accelerare i prototipi, i metodi contabili tradizionali spesso faticano a calcolare un ritorno dell'investimento giustificabile.
• Manutenzione - La tecnologia delle stampanti 3D (3DP) è in continua evoluzione e i guasti non sono rari, anche se la manutenzione è regolarmente programmata. I tempi di inattività e la manutenzione sono costi potenziali che spaventano gli investitori. Le parti essenziali possono essere tenute in inventario a causa di problemi residui della catena di fornitura, che aumentano i costi di gestione.
• Carenza di forza lavoro - Un'altra sfida è rappresentata dalle competenze tecniche per la gestione e il funzionamento delle apparecchiature. Il mercato ha un'enorme richiesta di competenze tecniche per la supervisione e il funzionamento delle apparecchiature AM. Tale competenza potrebbe dover essere sviluppata internamente con una formazione esterna, un processo lento quando si cerca di giustificare un'attrezzatura di capitale. Le conversioni di file e le competenze sulle apparecchiature sono solo una parte dei requisiti di manodopera. A seconda della tecnologia, potrebbe essere necessaria la presenza di un operatore per scambiare i filamenti a metà stampa, regolare le impostazioni, rimuovere le strutture di supporto ed eseguire le operazioni di post-elaborazione.
• Disponibilità dei materiali - Data la relativa giovinezza delle tecnologie AM, la disponibilità dei materiali è di gran lunga inferiore rispetto ai servizi di produzione tradizionali. Con una minore storia dei materiali e una selezione più limitata, l'AM offre un gran numero di opportunità. Fortunatamente, lo sviluppo dei materiali AM sta procedendo a un ritmo significativo.
• L'ambiente AM - Per molti è necessario un cambiamento di paradigma per abbracciare una tecnologia nuova e in rapido sviluppo. Molti investitori si aspettano che lo sviluppo tecnologico raggiunga il suo apice e che siano stati risolti tutti i problemi. Queste opinioni cambieranno con il tempo e con il miglioramento dei materiali e delle tecnologie.

Come per le nuove tecnologie, rimangono diverse sfide tecniche prima che la maggior parte dei produttori abbracci il settore AM. Tra queste vi sono le seguenti:

• Velocità di produzione ridotta - Il 3DP è noto per le sue velocità di produzione ridotte, che impediscono alla tecnologia di essere utilizzata in applicazioni di produzione su larga scala. I produttori di apparecchiature sono consapevoli di questa carenza e stanno studiando diligentemente metodi per migliorare la velocità di produzione. Le stampanti a sinterizzazione laser selettiva (SLS) hanno adottato due teste di stampa per sinterizzare la polvere più velocemente. Altri prototipi di stampanti sono in grado di stampare contemporaneamente trenta strati anziché uno. Alcune stampanti hanno migliorato la velocità fino al 2.000%.
• Automazione della post-elaborazione - La maggior parte delle parti stampate in AM e 3D richiede una forma di post-elaborazione. Questo richiede manodopera aggiuntiva e contribuisce ai costi generali per unità. Alcune operazioni AM richiedono la rimozione del supporto, la levigatura, la pulizia, la lisciatura del vapore, l'indurimento, ecc. La sfida consiste nell'automatizzare queste operazioni con la robotica e i sistemi di movimentazione automatizzati dei materiali.Al momento, lo sviluppo tecnologico della post-elaborazione è stato scarso.
• Software - Le capacità di preparazione e progettazione dei dati sono limitate. Le aziende hanno bisogno di un'infrastruttura digitale adeguata per gestire efficacemente le operazioni di stampa 3D. Il risultato è che l'industria ha sviluppato un software di gestione del flusso di lavoro specifico per la stampa 3D. Questo software aiuta a gestire il flusso di lavoro, comprese le richieste, l'analisi della stampabilità, l'analisi della macchina, la programmazione della produzione, la gestione della post-elaborazione e la comunicazione con i fornitori.
• Qualità - La variazione da parte a parte è un problema per molte tecnologie AM. La composizione del materiale è una fonte cruciale di variazione dovuta alla contaminazione. Alcuni di questi fattori sono legati ai materiali, mentre lo stoccaggio e la manipolazione impropria sono un altro aspetto. Sono necessari test standardizzati per garantire la qualità del materiale e della manipolazione. La capacità di monitorare la costruzione in tempo reale con telecamere e sensori incorporati nella stampante 3D consentirà di passare da un sistema di controllo ad anello aperto a uno ad anello chiuso. Il sistema ad anello chiuso consente il monitoraggio della costruzione in tempo reale e contribuisce alla coerenza delle geometrie, delle proprietà dei materiali e delle finiture superficiali che supportano la qualità.  
• Materiali - La selezione dei materiali è aumentata in modo significativo, ma la strada da percorrere per il settore AM è ancora lunga per superare le tecnologie esistenti. Le informazioni sui materiali sono carenti e manca un database completo dei materiali con parametri di stampa stabiliti e specifiche chiaramente definite. I produttori esitano a utilizzare una tecnologia con tali carenze informative.

Standard - Il settore manca di linee guida a livello industriale, compresi standard universalmente compresi e accettati. Alcuni attori chiave nello sviluppo di standard, come ISO e ASTM International, hanno istituito comitati dedicati allo sviluppo di standard AM.

Le nuove tecnologie non hanno precedenti per l'adozione della produzione additiva a livello operativo e ci sono pochi modelli di calcolo dei costi e di business basati sulla tecnologia AM. La proprietà della progettazione digitale è un'altra preoccupazione legale che spaventa molte aziende, così come la grave carenza di personale qualificato nei settori AM.

La buona notizia è che la popolarità e l'adozione della AM stanno crescendo rapidamente. Il rapido sviluppo di nuovi materiali sta aiutando l'AM a sostituire molte tecnologie sottrattive convenzionali. La definizione di standard AM accettati a livello globale aiuterà inoltre il settore ad aumentare la propria presenza nella produzione.

Queste preoccupazioni possono essere attenuate dalla collaborazione con un partner esperto di stampa 3D. Questo passo elimina le spese di capitale e la curva di apprendimento. Una partnership consente di accedere a un maggior numero di materiali additivi e a varie opzioni di post-elaborazione. Oltre alle partnership dirette con i produttori, diverse aziende di produzione distribuita controllano i produttori locali e sono disponibili a supervisionare questi servizi.