Il punto di riferimento del 3D nel ❤ della Brianza

Additive Manufacturing (AM)

Additive Manufacturing, spesso abbreviato con la sigla AM, è un termine utilizzato sempre più frequentemente nell’ambito industriale e artigianale. Più o meno ovunque ci sia bisogno di prototipazione rapida per scopi estetici e/o funzionali, in qualsiasi azienda di pressoché tutti i settori merceologici e di tutte le dimensioni, l’Additive Manufacturing si presenta come soluzione efficace.

Ma di preciso qual è la definizione di Additive Manufacturing? L’AM, chiamato in italiano anche con produzione additiva o processo additivo o tecniche additive, è un metodo di fabbricazione di oggetti tridimensionali a partire da modelli 3D computerizzati, solitamente deponendo o polimerizzando il materiale strato per strato (o layer-by-layer). La peculiarità più grande della produzione additiva è che si contrappone alla produzione sottrattiva, comportando anche diversi vantaggi.

PRODUZIONE ADDITIVA VS PRODUZIONE SOTTRATTIVA

La produzione additiva è l’esatto contrario della produzione sottrattiva. Quest’ultima, tipica delle macchine a controllo numerico (esempi: la fresa o il taglio laser), prevede che da un ‘blocco’ di materiale venga ‘scavato’ il prodotto desiderato seguendo il modello 3D pre-impostato nella macchina. La produzione additiva, al contrario, parte dal nulla, ovvero da un piatto di stampa vuoto, per depositare o polimerizzare materiale strato su strato, poco alla volta, senza produrre materiale di scarto: in particolare con l’espressione Additive Manufacturing si intende una serie di processi di produzione di fabbricazione additiva partendo da modelli 3D digitali, che a sua volta vengono trasformati in un codice necessario perché la macchina possa leggere il modello 3D e iniziare la deposizione o la polimerizzazione del materiale seguendone le geometrie.

Additive Manufacturing Sharebot Monza stampa 3D Sharebot 42 stampante 3D

VANTAGGI

Ma perché l’Additive Manufacturing viene considerato innovativo e necessario nel futuro più immediato? I vantaggi che l’AM comporta sono parecchi, sia in confronto alla produzione sottrattiva, sia in confronto ad altri metodi di produzione come lo stampaggio a iniezione o processi simili.

FORME UNICHE – Innanzitutto, grazie alla tecnologia layer-by-layer, è possibile ricreare qualsiasi forma più o meno complessa, comprensiva di parti concave o sporgenti (che vengono create sopra a del materiale di supporto facilmente rimovibile per far sì che non precipitino nel vuoto), di una vasta gamma di materiali per ogni esigenza.

ECO-SOSTENIBILITÀ – Mentre nella produzione sottrattiva si genera una quantità di materiale di scarto, ovvero la parte del blocco iniziale di materiale da cui si ricava l’oggetto desiderato che viene esclusa, nella produzione additiva non vi è alcun tipo di scarto, fatta eccezione per gli eventuali supporti, che comunque sono composti da una quantità di materiale assolutamente risibile. Tutto ciò si traduce innanzitutto in un risparmio di costi, ma anche di costi opportunità legati allo smaltimento, all’inquinamento, al trasporto degli scarti. In buona sostanza si può concludere azzardando che l’Additive Manufacturing sia sicuramente più green ed eco-sostenibile rispetto alla produzione sottrattiva.

TEMPISTICHE ESTREMAMENTE RIDOTTE – Rispetto ai metodi di produzione classici come lo stampaggio a iniezione, invece, sono due gli enormi vantaggi che l’AM comporta. Da una parte ci sono le tempistiche estremamente più ridotte, soprattutto nel caso in cui si tratti di prototipazione rapida piuttosto che di una produzione (riguardo alla dicotomia prototipazione/produzione vi rimandiamo a qualche paragrafo più in basso).

RISPARMIO DI DENARO – Dall’altra parte il grande risparmio di denaro. Per citare una Case History significativa di Sharebot Monza, portiamo come esempio il lavoro eseguito per una nota multinazionale aerospaziale: a fronte di una spesa di 10mila euro per la sola realizzazione di uno stampo, Sharebot Monza ha creato lo stampo tramite Additive Manufacturing e fusione a cera persa e in più ha realizzato una piccola produzione di 20 unità tramite colatura di alluminio fuso per un costo totale di 9mila euro, 1.000 in meno del solo stampo tramite tecnologie tradizionali. (CLICCA QUI PER TUTTE LE CASE HISTORY)

VARIETÀ DEI MATERIALI –  In Additive Manufacturing la vasta gamma di materiali disponibili offre la possibilità di prototipare o produrre qualsiasi tipo di oggetto, per ogni uso, per ogni esigenza e soprattutto per ogni tipo di agente esterno a cui viene sottoposto: che siano urti, usura, alte temperature, basse temperature, sfregamento o altro. L’Additive Manufacturing può quindi rispondere a qualsiasi esigenza meccanica.

ADDITIVE MANUFACTURING E STAMPA 3D

Spesso Additive Manufacturing e stampa 3D vengono considerati come sinonimi. In realtà non è esattamente così. Detto in maniera molto semplice, la stampa 3D è un processo che – nella stragrande maggioranza dei casi – funziona tramite Additive Manufacturing, ovvero layer-by-layer. A seconda poi delle varie tecnologie di stampa 3D, che si possono riassumere in tre macro-categorie (polvere, solido e liquido), ci sono delle differenze sostanziali su come il materiale viene deposto e solidificato. In breve: nelle tecnologie di stampa 3D a polvere avviene la polimerizzazione mediante l’uso di particolari addensanti o di un fascio laser; nelle tecnologie di stampa 3D a solido avviene la deposizione di un termopolimero strato su strato per mezzo di un estrusero; nelle tecnologie di stampa 3D a liquido, infine, avviene la solidificazione di polimeri liquidi fotosensibili con un fascio di luce UV o laser.

Entriamo più nel dettaglio elencando e spiegando le principali tecnologie di stampa 3D (o prototipazione rapida) a nostra disposizione.

Tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling) – macro-categoria Solido: chiamata anche tecnologia FFF (Fused Filament Fabrication) o tecnologia a filo, è la più diffusa anche perché più economica e dunque più consumer. Le stampanti 3D che iniziano a entrare nelle case private e su cui lavorano i makers sono a tecnologia FDM. Ma ricondurle interamente alla sfera privata è un errore grossolano: è infatti estremamente diffusa anche per quanto riguarda la prototipazione rapida per aziende grazie alle tempistiche ridotte e ai costi contenuti. Nella FDM il materiale polimerico termoplastico, allo stato solido, viene riscaldato e assume uno stato fuso; il materiale viene quindi depositato strato per strato per formare l’oggetto finale.

Tecnologia SLA (StereoLitographic Apparatus) – macro-categoria Liquido: la stereolitografia è quella tecnologia additiva che solidifica una resina liquida fotopolimerizzabile con un raggio laser propagato attraverso un sistema di specchi, che colpisce lo strato di resina liquida scandendone la superficie e solidificando l’oggetto sezione per sezione secondo la forma dell’immagine raster proiettata sulla superficie. La piastra su cui poggia la resina liquida si alza e viene generata una seconda sezione; e così strato per strato fino alla composizione finale dell’oggetto desiderato. La tecnologia SLA garantisce una prototipazione rapida ad altissima precisione ed è particolarmente utilizzata da medici, odontoiatri e da tutti i settori che necessitano di prototipi ad altissima definizione.

Tecnologia DLP (Digital Light Processing) – macro-categoria Liquido: la DLP è quella tecnologia additiva che solidifica una resina liquida fotopolimerizzabile, ma differisce dalla stereolitografia per la tipologia della sorgente luminosa: nella DLP non vi è un laser, bensì un proiettore HD. Da ciò derivano due vantaggi: il primo è che, seppure di pochissimo, la qualità della finitura superficiale e in generale la qualità di stampa ne guadagnano; il secondo, invece, riguarda la solidificazione del layer, che nella DLP avviene contemporaneamente in ogni punto del layer mentre nella SLA solidificato al passaggio del raggio laser che deve quindi ‘percorrere’ l’intero layer. Che tutti i punti dello strato vengano polimerizzati contemporaneamente si traduce in una velocità di stampa decisamente maggiore rispetto a quella della stereolitografia.

Tecnologia SLS (Selective Laser Sintering) – macro-categoria Polvere: la tecnologia SLS, chiamata più semplicemente Sinterizzazione Laser è quel processo che trasforma un materiale (principalmente Nylon o poliammide caricato con altri materiali) sotto forma di polvere a un solido tridimensionale indivisibile e durevole nel tempo. Questo passaggio è reso possibile da un raggio laser che colpisce la polvere e la fonde insieme con eccezionale cura del dettaglio. Gli strati di polvere sinterizzata misurano circa 0.1 millimetri sull’asse delle Z. Le polveri non sinterizzate costituiscono invece il supporto per le parti sinterizzate ‘a sbalzo’ e possono essere rimosse con estrema facilità una volta che il pezzo finito viene estratto dalla macchina.

Tecnologia CJP (ColorJet Printing) – macro-categoria Polvere: è la tecnologia adatta per prototipi estetici e prodotti finiti poiché gli oggetti stampati in 3D con questo metodo escono dal macchinario già multicolori secondo la scala colori di Photoshop (più di 6 milioni di colori). Un rullo passa sul piatto rilasciando uno strato di polvere di gesso (parte di supporto, parte del modello desiderato) e successivamente passa una sorta di toner che rilascia uno strato di binder colorato sulla superficie del modello desiderato. Questo processo si ripete strato per strato, mentre il piatto si abbassa, fino all’ottenimento del prodotto finale.

Tecnologia MJP (MultiJet Printing) – macro-categoria Liquido: è la tecnologia con maggiore definizione dei dettagli, con una finitura superficiale impareggiabile e una precisione sull’asse delle Z fino a 16µm. Una testina di stampa con 618 ugelli deposita strato per strato – come una stampante inkjet – resina plastica allo stato liquido e la cera solubile che funge da materiale di supporto, poi il piatto si sposta sotto una ‘lampada’ e al contatto con i raggi UV la resina si indurisce. Il piatto torna sotto la testina di stampa e viene depositato altro materiale. Il processo si ripete fino alla definizione dell’oggetto finale.

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Tecnologia EBM (Electron Beam Melting) – macro-categoria Polvere: utilizza un fascio di elettroni nel processo di fusione della polvere metallica.

Tecnologia DMLM (Direct Metal Laser Melting) – macro-categoria Polvere: impiega una raggio laser per fondere la polvere metallica nella forma desiderata.

Tecnologia LMD (Laser Metal Deposition) – macro-categoria Polvere: chiamata anche semplicemente saldatura laser, un laser genera un bagno di fusione della superficie della polvere metallica: si creano così cordoni saldati tra loro che a loro volte creano strutture su corpi base già esistenti.

Tecnologia SLM (Selective Laser Melting) – macro-categoria Polvere: non sinterizza, ma fonde polveri metalliche in una massa solida con un raggio laser ad altissima potenza.

Tecnologia DLMS (Direct Metal Laser Sintering) – macro-categoria Polvere: molto simile alla SLS, avviene una sinterizzazione diretta delle polveri metalliche. Utile per geometrie molto complesse, è già molto apprezzata nel settore aerospaziale e nelle industrie più avanzate perché permette di realizzare con leghe e superleghe metalliche persino componenti destinati all’utilizzo finale.

Tecnologia MJF (MultiJet Fusion) – macro-categoria Polvere: inventata dal colosso americano HP (la tecnologia viene anche definita infatti HP MultiJet Fusion), è perfetta per realizzare piccole produzioni in serie. Grazie alle altissime prestazioni, alla riduzione fino all’80% di materiale di scarto e velocità fino a 10 volte superiore alle tecnologie di Sinterizzazione fin qui esistenti, questa tecnologia di Additive Manufacturing può essere considerata anche come Direct Manufacturing: viste le prestazioni ottimali del poliammide PA 12 (materiale che utilizza per creare oggetti), può infatti realizzare sia prototipi che prodotti finiti e pronti all’uso finale. Nella MJF viene depositata la polvere di Nylon, vengono poi spruzzati due liquido apposito sulle parti da solidificare (un agente di fusione e un agente per il dettaglio superficiale) e infine il materiale passa sotto una lampada di fusione che percepisce dove deve concentrare più energia a seconda del modello.

A CHI SERVE?

Dopo aver parlato delle differenti tecnologie di Additive Manufacturing occorre trattare del ‘lato pratico’: a chi serve la produzione additiva? Quali tipologie di aziende, professionisti e utenti possono trarre beneficio dall’AM?

Prima di rispondere è necessario fare una piccola premessa: l’Additive Manufacturing è nato per creare prototipi funzionali e/o estetici, ma con l’affinarsi delle tecnologie e con lo scadere dei brevetti che legavano certe tecnologie a singole case di produzione di stampanti 3D, si è diffuso e sviluppato a tal punto da trasformarsi in uno strumento di produzione. Per questo motivo, unito al fatto che con l’AM non ci sono limiti alle forme riproducibili, il suo utilizzo è trasversale: i campi di applicazione sono infiniti.

Per questo sono diversi i tipi di aziende che vi ricorrono: ingegneria, design, architettura, illuminazione, idraulica, automotive, serramentistica, progettazione, allestimenti, maniglie e finiture per arredamento, meccanica di qualsiasi tipo e molto altro ancora.

Inoltre, grazie anche al movimento makers che ha contribuito alla diffusione di tecnologie e soprattutto saperi legati all’Additive Manufacturing, gli stessi privati possono ricorrere a un service di stampa 3D o direttamente a macchinari consumer per fabbricare ‘in casa’ pezzi di ricambio di qualsiasi genere e soprattutto per realizzare progetti personali e per concretizzare idee o addirittura invenzioni a un prezzo ridotto, con tempistiche ridotte e con la possibilità di modificare il modello 3D con estrema rapidità e quindi riprodurlo dopo le correzioni sempre con costi irrisori e grande rapidità.

I NOSTRI CLIENTI: CHI SONO

A COSA SERVE?

Dopo avere visto a chi può servire l’Additive Manufacturing viene naturale chiedersi a quali scopi venga utilizzato. Semplificando al massimo possiamo affermare che sia destinato alla prototipazione o alla produzione. Troviamo architetti che ricreano i modelli in scala di edifici per mostrarli ai clienti e semplificare la comunicazione, ingegneri che chiedono particolari pezzi meccanici di precisione da testare (o utilizzare direttamente) su determinati macchinari, designer che vogliono avere una prova concreta del proprio progetto, aziende che si occupano di allestimenti che commissionano pezzi unici da sottoporre a lavorazioni o da esporre così come escono dalla stampante 3D, aziende di illuminazione che realizzano componentistica per lampade, meccanici e carrozzieri che ordinano specifici pezzi di automotive, studenti che trovano nell’Additive Manufacturing lo strumento ideale per realizzare le proprie tesi o tesine, e ancora molti altri soggetti e utilizzi.

Occorre quindi ribadire ancora una volta: la produzione additiva può essere utilizzata per qualsiasi scopo a seconda della creatività e delle necessità dei clienti, siano essi aziende o privati. Non ci sono limiti, tutto può essere creato (con la tecnologia più indicata).
Di seguito approfondiamo la dicotomia prototipazione-produzione.

PROTOTIPAZIONE VS PRODUZIONE

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Come abbiamo già accennato, l’Additive Manufacturing era utilizzato inizialmente come metodo di realizzazione di prototipi – che siano essi estetici, funzionali, tecnici o di qualsiasi altro tipo – fino a diventare un vero e proprio strumento di produzione.

La prototipazione rapida è il metodo più veloce per creare dei prototipi che servono alle aziende per condurre tutti i test di cui necessitano prima di avviare una produzione e immettere così il prodotto definitivo, realizzato magari con altre tecnologie (esempio: stampaggio a iniezione). L’Additive Manufacturing, per via dei tantissimi materiali utilizzabili con le più disparate caratteristiche tecniche, può creare prototipi di ogni tipo ed è in grado di soddisfare i requisiti tecnici e meccanici richiesti dal cliente (resistenza agli urti, resistenza all’usura, resistenza a temperature molto elevate o molto basse, …): in questo modo il prototipo può essere provato e testato o montato direttamente nel macchinario che lo ospita (nel caso in cui fosse un componente di un insieme). Un grande vantaggio è la facilità e la rapidità di modifica apportabile al file 3D del prototipo in caso in cui l’azienda cliente – in fase di test – si renda conto di dover cambiare alcuni dettagli: con tempistiche estremamente ridotte e con costi assolutamente vantaggiosi l’azienda in poco tempo disporrebbe di un nuovo prototipo. Un’operazione insostenibile, per costi e tempi di attesa, ricorrendo alle tecnologie tradizionali.

Con le continue migliorie tecnologiche che negli ultimi anni si sono susseguite in ambito Additive Manufacturing, come già accennato, è diventato inoltre uno strumento di produzione. Si parla di produzioni massime di poche migliaia di pezzi poiché per produzioni molto vaste, per tempi e costi, conviene ancora affidarsi alla tecnologie tradizionali: ma con l’AM, e soprattutto con la stampa 3D, è sempre più frequente vedere aziende o privati che commissionano la realizzazione di pezzi finiti, definitivi, pronti all’uso, direttamente tramite produzione additiva. I vantaggi di affidare una produzione all’AM riguardano i costi risparmiati in confronto alla realizzazione di uno stampo da cui realizzare la serie, le tempistiche di realizzazione di uno stampo prima e della serie vera e propria poi, la rapidità e la facilità di modifica del file 3D. Se, con metodi tradizionali, un’azienda desiderasse modificare anche di poco il prodotto, dovrebbe sobbarcarsi altri costi molto elevati per la realizzazione di un secondo stampo modificato, con conseguente allungamento dei tempi di attesa. I diversi materiali, la finitura superficiale e le differenti tecnologie di stampa, permettono di fabbricare prodotti finiti destinati agli utilizzi più svariati e – come per i prototipi – sottoposti a qualsiasi tipo di stress esogeno.

ADDITIVE MANUFACTURING E TIME TO MARKET

Il Time To Market è un concetto molto importante per le aziende. Indica il tempo che intercorre dall’ideazione di un prodotto alla sua effettiva commercializzazione e, ovviamente, più si assottiglia e più vantaggi ci sono per l’azienda. È determinato da più fasi: studi di mercato, studi di fattibilità, ingegnerizzazione, creazione di un prototipo, produzione in larga scala, immissione sul mercato. Cosa c’entra il Time To Market con l’Additive Manufacturing? Semplice: la produzione additiva diminuisce drasticamente il TTM poiché riduce il tempo di produzione di piccoli lotti che si possono immediatamente immettere sul mercato per la valutazioni su efficacia, funzionalità e appetibilità. Come già scritto nei paragrafi precedenti, la possibilità di intervenire con tempestività con modifiche al file 3D e conseguentemente sul prototipo/prodotto, inoltre, permette all’azienda di condurre più prove con tempistiche irrisorie, che quindi non influiscono significativamente sul Time To Market. Nello stesso lotto di produzione – con differenze da una tecnologia additiva all’altra – si possono realizzare prodotti personalizzati e diversi tra loro senza dover settare o attrezzare i macchinari in maniera differente.

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