4 ° capitolo manifattura

Additive manufacturing e Industria 4.0, l’alba della produzione distribuita

Anche se il processo di produzione si compone di diversi passaggi e nonostante le tecnologie disponibili siano molteplici, andremo di seguito a riassumere gli stadi fondamentali.

Il primo strumento a essere utilizzato è un software che consente di ottenere un disegno della geometria esterna dell’oggetto da stampare. Per questa rappresentazione si fa uso di un qualsiasi software professionale CAD ma strumenti d’ingegneria inversa (laser e scanner) possono essere parimenti utilizzati (si veda Gibson, 2015). Il passo successivo è la conversione del designo CAD in un file di formato STL (acronimo di Standard Triangulation Language ToLayer), normalmente letto da qualsiasi stampante 3D. Il file in questione, considerando le superfici rappresentate con il modello CAD, calcola le sezioni triangolari nelle quali l’oggetto è suddiviso.

Una volta ottenuto il file STL si adoperano dei software, chiamati slicer, che traducono il file in istruzioni adeguate a guidare la macchina nella produzione dell’oggetto. Le funzioni svolte sono essenzialmente due: generazione del supporto e slicing. È, infatti, necessario costruire dei pezzi che sostengano l’oggetto durante la produzione, i quali saranno poi rimossi con tecniche diverse in relazione alla tecnologia in uso. È inoltre importante suddividere il disegno nei sottili strati (layer) che sovrapposti formeranno l’oggetto finale desiderato. In particolare, questa fase di slicing può essere classificata come uniforme o adattativa. Con il primo si conferisce all’oggetto uno spessore costante mentre la seconda tipologia prevede un adattamento dello spessore alla curvatura superficiale con il fine di ridurre al massimo la scalettatura della superficie esterna. A questo punto, prima che inizi il processo di compilazione, la macchina deve essere impostata secondo gli adeguati parametri di costruzione (timing, spessore degli strati, eventuali vincoli dei materiali). La fase successiva è la costruzione dell’oggetto. Dato che il processo è pressoché automatico, non è necessaria una supervisione costante della macchina ma è sufficiente un controllo superficiale che assicuri la non fuoriuscita dei materiali o errori del software. Una volta completata la costruzione, l’oggetto deve essere rimosso dalla macchina. Essendovi un’interazione degli addetti con la strumentazione è opportuno predisporre degli accorgimenti, come blocchi di sicurezza per garantire l’assenza di parti in movimento o una temperatura adeguatamente bassa. Il procedimento prosegue giacché l’oggetto potrebbe richiedere una successiva pulizia prima di

essere usato o potrebbe avere delle parti di supporto da rimuovere. Nel momento conclusivo le parti realizzate con il metodo additivo potrebbero essere assemblate con altre componenti elettroniche o metalliche per ottenere l’oggetto finale, potrebbero essere levigate o dipinte per dare forma alla superficie finale desiderata.

  Le applicazioni

Le principali applicazioni della stampa 3D possono essere schematizzate in quattro categorie: rapid prototyping (prototipazione rapida), rapid tooling (produzione indiretta), rapid manufactuting (produzione diretta), spare parts (parti di ricambio). Tra le imprese utilizzatrici a livello globale (Sculpteo, 2016) il principale ambito di applicazione è la prototipazione (50%), la produzione industriale e la verifica del prodotto registrano ancora una percentuale inferiore, rispettivamente pari al 25% e al 30%. Allo stesso modo tra le adottanti italiane (Prometeia, 2015) la prototipazione conta per la percentuale maggiore (71,2%), seguita dalla produzione (10,4%). In entrambi i casi, la produzione indiretta e/o di pezzi di ricambio sono ricomprese nella categoria “altro” a causa del loro esiguo peso (circa 6%).

Prototipazione Rapida

Il primo campo di utilizzo della stampa 3D è stata la prototipazione rapida dal momento che le prime tecnologie additive, sviluppate nel 1980, potevano produrre con costi elevati solamente oggetti di plastica di piccole dimensioni il cui il livello di qualità e dettaglio erano piuttosto bassi. Rayna e Striukova (2016) sottolineano che la riduzione dei costi ha favorito una diffusione presso imprese più piccole mentre il miglioramento della qualità ha condotto a un uso massiccio per sviluppare modelli esteticamente uguali al prodotto finito o prototipi da sottoporre a test e valutazioni critiche prima di un lancio sul mercato.

Produzione Indiretta

Un’altra applicazione ha iniziato a diffondersi nella seconda metà degli anni Novanta quando sono comparse sul mercato nuove stampanti 3D che risolvevano alcune problematiche delle aziende nella costruzione di stampi, attrezzature, utensili per la produzione. Da sempre, infatti, le imprese costruivano questi strumenti attraverso un lento processo sottrattivo da un blocco di alluminio o altro materiale. Tuttavia commettere errori poteva essere molto costoso poiché significava ripercorrere le fasi di produzione di queste parti utilizzando nuovi materiali e dedicando ulteriore tempo. Il passaggio alla manifattura additiva ha permesso di realizzare gli stessi oggetti con tempistiche ridotte e con la possibilità di adattare ogni fase a cambiamenti avvenuti dopo la progettazione degli stessi permettendo inoltre una notevole libertà geometrica.

Produzione Diretta

Come scrive Gibson (2015, p 39): “Speed, quality, accuracy and material properties have developed to an extent that 3D printed parts can be made for final use”. I recenti sviluppi hanno ulteriormente abbassato i costi, aumentato la qualità e ampliato i materiali disponibili tanto che la stampa 3D ha iniziato a essere utilizzata per la produzione di oggetti finiti, implementando tutto il processo additivo senza impiegare stampi o altre macchine  tipicamente sottrattive.

Parti di ricambio

La stampa 3D risponde in maniera diversa all’esigenza delle aziende di stoccare in magazzino pezzi di ricambio da sostituire a quelli non funzionanti nel momento del bisogno. Grazie all’utilizzo delle tecnologie additive in magazzino possono essere conservati i file delle parti sostitutive che sono poi stampati quando serve e nel luogo opportuno.