Il 3-D printing nel manifatturiero open source

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Introduzione

Nel “manifatturiero avanzato”, la cosiddetta stampante 3d viene definita come “un robot industriale che realizza un processo additivo sotto il controllo del computer”. Questo, che potrebbe sembrare solo uno strumento dell’Automazione, è invece destinato a sconvolgere i parametri della produzione e a paventare, secondo alcuni, la terza rivoluzione industriale. Dall’industria dell’automotive all’aerospazio, dall’abbigliamento al settore medico e biotecnologico con la biostampa ma anche nella ricostruzione dei fossili in paleontologia a scopo di studio, la diffusione delle applicazioni dell’“additive manufacturing” (il 3D printing) avvicina il digitale al mondo reale modificando significato e soprattutto luogo della parola produzione. L’avanzamento tecnologico rende questa “estensione della tecnologia digitale” alla portata di tutti cioè anche dei consumatori che in futuro quindi produrranno beni letteralmente “in house”. Il “rapid manufacturing” (la possibilità di realizzare una produzione definitiva direttamente dal modello CAD, senza l’impiego di macchine utensili) è una realtà ancora marginale ma già oggi sono sempre più le società che offrono servizi di stampa 3d on-line ad operatori e imprese. Essi acquistano il processo di realizzazione per prodotti, prototipi industriali o pre-industriali caricando i files dei propri progetti nei siti aziendali e ritirando il bene finito. A livello di mercato la stampa 3D cresce da un paio d’anni al ritmo di circa il 100% all’anno. Un nuovo settore industriale che a fine 2014 raggiungerà 3,8 miliardi con una previsione al 2018 di 5,1 miliardi. In più si pensa che all’ombra di questa rivoluzione si assisterà ad un’altra trasformazione dei principi della produzione detta “Maker”, dove la crescita sarà guidata da minori sprechi di materiale, trasporto e manodopera e con una riduzione tra l’altro delle spese in conto capitale. Da due anni, l’Asian Manufacturing Association sta realizzando un programma da 300 milioni di dollari per l’apertura di 10 centri di innovazione tecnologica che lavorino esclusivamente sul 3D. Questi investimenti si basano sulla stima del potenziale di mercato del settore in Cina che, anche se seconda agli USA nel manifatturiero avanzato, ha un maggiore potenziale in termini di dimensioni del mercato e che può arrivare a 1,6 miliardi di dollari nei prossimi 3 anni. C’è da dire che molte delle tecnologie in questo campo saranno finanziate in modo completamente nuovo come ne caso di “Filabot”, un dispositivo che permette di ottenere materia prima seconda da usare in stampanti 3d da comuni oggetti di plastica che è stato finanziato in crowdfunding sul portale Kickstarter.

Cenni alle origini e differenze col manifatturiero

La stampa 3D nasce alla metà degli anni ‘80 da Charles Hull e Scott Crump il cui lavoro era basato sulla realizzazione di processi che consentivano la creazione di oggetti solidi strato dopo strato. Nel tempo, l’evoluzione dei metodi da loro ideati, presero il nome di manifatture additive (AM). Poiché molti metodi AM erano basati sulla tecnologia della stampa ad inchiostro, il termine “stampa 3D” fu adottato dalle industrie e dai mezzi di informazione in riferimento ad ogni processo di “additive manufacturing”. La manifattura additiva è già oggi una nuova modalità produttiva che si colloca nell’ area della “manifattura digitale” ed è il risultato della continua integrazione tra le tecnologie digitali e la manifattura [Confindustria].

Sintesi delle tecnologie di stampa 3d

Sintesi delle tecnologie di stampa 3d

La crescente capacità e intelligenza dei computer che governano macchine e impianti da una parte ed il fenomeno della condivisione di informazioni resa possibile dalla diffusione di internet, attraverso dispositivi mobili dall’altra, sono i due macro elementi in cui essa si sviluppa ed evolve. La differenza sostanziale di questo modo di produrre con le manifatture tradizionali dove il processo è diviso in fasi e attività dedicate, è nel «come gli oggetti sono creati», infatti la stampa 3D può produrre un bene finito e assemblato, teoricamente di qualsiasi livello di complessità, con un’unica operazione strato dopo strato. Anche a livello di costi e di lead-time, studi empirici mostrano che la riduzione dei passaggi nel processo, dei macchinari nonché della manodopera di tipo tradizionale fanno aumentare vertiginosamente le produttività. C’è un altro aspetto che fa la differenza: la qualità e le prestazioni superiori di ciò che viene realizzato. I prodotti creati dalla stampa 3D possono essere migliori e più economici rispetto a quelli creati dai processi tradizionali:

  • in primo luogo perché essa consente la creazione di strutture che non avrebbero mai potuto essere prodotte da strumenti comuni,
  • in secondo luogo le tecniche possono arrivare fino al 65% in più di resistenza e luminosità rispetto alle tradizionali (si pensi, solo per fare un esempio, alle prestazioni di una catena in metallo realizzata senza alcuna saldatura che chiuda la singola maglia).

Un altro elemento distintivo riguarda l’impianto vero e proprio: nella manifattura additiva una singola macchina può generare prodotti differenti mentre nelle tipologie dei processi produttivi esistenti negli stabilimenti, in particolare quelli orientati al prodotto, ciò è molto limitato se non impossibile. In considerazione di quanto appena detto, i vantaggi più evidenti della stampa 3D possono essere riepilogati nei punti seguenti:

  • produzione di design più efficienti – miglior qualità e rese tecniche;
  • una stessa macchina può produrre linee illimitatamente;
  • nano-produzioni;
  • massima efficienza di impiego dei materiali;
  • la complessità del prodotto non si riflette significativamente sul costo di produzione
  • realizzazione istantanea a fine progettazione;
  • la produzione è accessibile a tutti;
  • economicità nei grandi volumi;
  • uso di più materiali in un’unica unità produttiva (stampante).

Vero è che i limiti di tipo tecnico e gestionale oggi pongono da un lato un freno alla diffusione di massa della stampante 3D mentre dall’altro ne sono stimolo all’attività di ricerca. Tra questi il fatto che non si possano ancora realizzare oggetti di grandi dimensioni, la velocità di stampa, l’elevato costo dei materiali e delle stampanti,

Foto 1 – una delle stampanti 3D dei Laboratori del CINTEST – Centro per l’Innovazione Tecnologica e lo sviluppo del Territorio dell’Università degli Studi della Tuscia di Viterbo. [Fonte CINTEST]

le limitate possibilità di utilizzare differenti materiali nello stesso processo di stampaggio ed infine la mancata adesione del materiale negli strati inferiori e la ridotta finitura superficiale.

Tecnologie a confronto e la prototipazione rapida

Esistono varie tipologie di metodi per la realizzazione della manifattura additiva con tecnologie molto diverse tra loro e non sempre concorrenti. Le loro differenze principali riguardano il modo in cui sono costruiti gli strati per creare le parti e si adattano meglio sia ai materiali impiegati che ai beni prodotti. Un primo metodo di stampa 3D consiste in un sistema di stampa a getto d’inchiostro per la realizzazione veloce di prototipi a colori.

Altri metodi sono il digital light processing (DLP), il fused deposition modeling (FDM) o della fusione selettiva, che consistono in differenti tecnologie di processo su polimeri o metalli per la produzione dei manufatti. La creazione del prototipo durante la fase di sviluppo di un prodotto è un momento cruciale. I prototipi differiscono non solo nel design ma per i materiali impiegati, per la modalità di realizzazione e per la tecnologia di fabbricazione.

La Prototipazione Rapida (RP) è una tecnologia oggi disponibile che permette di produrre in tempi brevissimi (ore), senza l’uso di utensili, oggetti a geometria complessa direttamente dal modello matematico progettato su di un sistema CAD tridimensionale. Lo Standard Triangulation Language è il formato universale attraverso cui l’oggetto viene importato per la sua realizzazione in una stampante 3D. Oggi la prototipazione rapida si pone in concorrenza non solo tecnica ma anche economica con il classico processo relativo essendo estremamente competitiva nei tempi, nella possibilità di realizzare varianti nonché nell’affrontare la complessità di realizzazione. A questo si deve aggiungere un fenomeno che già da alcuni anni influenza positivamente il mercato delle stampanti 3D quello dell’“open design”.

Foto 2 - Sezione di una scatola realizzata da una stampante 3D. Dalla struttura a nido d’ape si può vedere il modo di realizzazione della stampa per strati. [Fonte CINTEST]

Foto 2 – Sezione di una scatola realizzata da una stampante 3D. Dalla struttura a nido d’ape si può vedere il modo di realizzazione della stampa per strati. [Fonte CINTEST]

Dal 2008 grazie alla disponibilità di kit di produzione open source di costo inferiore ai 1.000 dollari, il settore ha avuto una notevole spinta, in più con la loro disponibilità open source, molte stampanti 3D stanno rapidamente evolvendo e possono ora competere con alcune stampanti commerciali a parità di tecnologia e a prezzi sempre più contenuti come nel caso del Printrobot LC lanciato nel 2012 al prezzo di 549 dollari. Come noto, “Open source” è il termine più diffuso associato ai software disponibili gratuitamente come Linux, Android e Apache mentre “open design” è stato applicato al design di prodotti fisici, attraverso la condivisione del pubblico.
Ne sono due esempi famosi VIA OpenBook (un’open source laptop) e RepRap (un’open source di stampanti 3D). RepRap è una stampante 3D a basso costo la cui unicità risiede, quindi, nel suo design, nella sua produzione e distribuzione.
Uno degli scopi del progetto RepRap è rendere possibile ai lavoratori di piccole imprese, specialmente nelle parti povere del mondo, di costruire prodotti complessi virtualmente senza investimenti di capitale.

Foto 3 - Oggetto apparentemente semplice realizzato con una stampante 3D. Il cilindro bianco è stato realizzato con la stampante 3D del CINTEST. La foto rappresenta delle prove di impatto in acqua (tecnicamente hull slamming); il cilindro, cioè, simula un pezzo di fusoliera di un aereo che impatta con l’acqua. [Fonte CINTEST]

Foto 3 – Oggetto apparentemente semplice realizzato con una stampante 3D. Il cilindro bianco è stato realizzato con la stampante 3D del CINTEST. La foto rappresenta delle prove di impatto in acqua (tecnicamente hull slamming); il cilindro, cioè, simula un pezzo di fusoliera di un aereo che impatta con l’acqua. [Fonte CINTEST]

Come accennato RepRap è anche open source, questo vuol dire che l’intero design (hardware, elettronica e software) non è protetto da alcuna licenza e chiunque può modificare e contribuire al miglioramento gratuitamente.

Riflessioni conclusive

Nel mercato dominato dalla “time based competition” l’impresa manifatturiera mira a collocare la tecnologia della stampa 3D nei propri processi con lo scopo prioritario della riduzione dei tempi di commercializzazione e di riprogettazione dei prodotti. Sicuramente questo nuovo modo di produrre porta con sé concetti di portata ben più ampia come le prestazioni superiori di alcuni beni, l’open design, una personalizzazione di massa che fino ad ora è presente solo nel digitale, e uno stravolgimento dei parametri in tema di ottimizzazione di processo e minimizzazione del costi. In questo campo l’attività di ricerca sia delle imprese che dei centri dedicati è principalmente orientata verso la possibilità di creazione di oggetti sempre più grandi e alla possibilità di combinare sempre più materiali diversi in una unica “stampa”. Ne è un esempio la stampante multi-materiale ObjectConnex500 che permette la stampa di 14 materiali sia contemporaneamente che separatamente e poi fusi insieme. Altro filone di ricerca è quello che impegna tecnici e manager per la riduzione dei costi dei macchinari e materiali. Per quanto riguarda l’organizzazione d’impresa l’utilizzo di questa tecnologia per la «prototipazione rapida» incide già profondamente su quel segmento di processo che porta alla realizzazione di un’innovazione; ma l’introduzione della nuova tecnica richiede comunque una profonda riorganizzazione delle aziende con la conseguente necessità di vincere le resistenze interne al cambiamento. A livello di nuova imprenditoria la stampa 3D può rappresentare un’opportunità anche per artigiani e piccole imprese così come la creazione di settori di business che grandi e alla possibilità di combinare sempre più materiali diversi in una unica “stampa”. Ne è un esempio la stampante multi-materiale ObjectConnex500 che permette la stampa di 14 materiali sia contemporaneamente che separatamente e poi fusi insieme. Altro filone di ricerca è quello che impegna tecnici e manager per la riduzione dei costi dei macchinari e materiali. Per quanto riguarda l’organizzazione d’impresa l’utilizzo di questa tecnologia per la «prototipazione rapida» incide già profondamente su quel segmento di processo che porta alla realizzazione di un’innovazione; ma l’introduzione della nuova tecnica richiede comunque una profonda riorganizzazione delle aziende con la conseguente necessità di vincere le resistenze interne al cambiamento.
A livello di nuova imprenditoria la stampa 3D può rappresentare un’opportunità anche per artigiani e piccole imprese così come la creazione di settori di business che permettono la nascita di nuove start up. Se da un lato si concretizza una dinamica positiva anche delle PMI ad elevato potenziale di sviluppo, vale la regola secondo cui in campo industriale «più è intenso è il ritmo dell’innovazione maggiore sarà lo sforzo della componente lavoro ad adeguarsi », così l’impegno legato all’aggiornamento industriale per gestire una trasformazione del manifatturiero sarà tanto più intenso quanto maggiore sarà la velocità di adozione di questo nuovo modo di produrre da parte degli operatori.

BIBLIOGRAFIA

  • J. Hoerber, J. Glasschroeder, M. Pfeffer, J. Schilp, M. Zaeh, J. Franke (2014), “Approaches for Additive Manufacturing of 3D Electronic Applications” – Procedia CIRP;
  • Confindustria CsC, Scenari industriali (2014), “in Italia la manifattura si restringe nei paesi avanzati le politiche industriali puntano sul territorio” – Edizioni Sipi;
  • Wohlers Report 2013, “3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry”;
  • Siavash H. Khajavi, Jouni Partanen, Jan Holmström (2014), “Additive manufacturing in the spare parts supply chain” – Computers in Industry, Vol. 65;
  • UK Intellectual Property Office Patent Informatics Team (2013), “3D printing a patent overview” – UK IPO
  • Computer Sciences Corporation – (2014) Report “3D printing and the future of manufacturing”;
  • Mosconi E.M. (2012), “Criteri royalty nella valutazione della tecnologia”, CEDAM;
  • Ruggieri A., Mosconi E.M., Silvestri C., Braccini A.M., Poponi S., Serpico E. (2012), “An economic analysis of the structural problem of the function of research and development in relation to firm size in Italy”, in Tipuric D., Dabic M. Management Governance, and Entrepreneurship. LANCASHIRE: Access Press UK;
  • RepRap: The 3D printer that’s heading for your home”, TechRepublic, 2012.
Foto 4a - Modellino di elicottero stampato già montato, realizzato nei Laboratori del CINTEST per il progetto Kinetic Helicopter: veduta dall’alto. Fonte CINTEST

Foto 4a – Modellino di elicottero stampato già montato, realizzato nei Laboratori del CINTEST per il progetto Kinetic Helicopter: veduta dall’alto. Fonte CINTEST

PROGETTO KINETIC HELICOPTER

Si tratta di un elicotterino modellato in ambiente CAD 3D (SolidWorks) dal designer dott. Alessio D’ANDREA [alessio.dandrea1985@ gmail.com]; è stato creato con l’intento di evidenziare le peculiarità di una delle tecniche più utilizzate di Fabbricazione Additiva: la Fused Deposition Modeling (FDM). Questa tecnologia consente non solo di realizzare componenti statici ma anche sistemi cinematici: nell’elicotterino è presente un sistema articolato di trasmissione a ruote coniche capace di movimentare in maniera simultanea tutte le eliche presenti. Particolare attenzione è stata posta anche nella progettazione del rotore nel quale, invece, sono presenti snodi sferici. Il tutto è stato modellato cercando di ridurre al minimo i giochi, il cui valore si è attestato sia per quelli assiali che per i radiali a 0,2 mm, tenendo sempre presente l’obiettivo cinematico. Il Manufacturing è stato curato dal prof. ing. Gianluca RUBINO nei Laoratori CINTEST dell’Università degli Studi della Tuscia, impiegando la stampante Stratasys dimension sst 768, con materiale ABS white, secondo la piena filosofia dell’Additive Manufacturing, cioè realizzando il pezzo attraverso un unico processo di stampa. Il progetto ha vinto la prima posizione nel concorso 3D Printing Contest indetto da Futura Group srl [link al blog], ed è stato recensito sulla rivista Elettronica In, Anno XX-n°185, Aprile 2014.

The relevance of the Additive manufacturing or 3d printing approach is given by the increasing interest from all industrial, scientific and commercial fields. This is a new production method that brings with it a great potential both in terms of optimization of the processes of new production models. The possible applications are virtually limitless and can involve almost all areas of manufacturing; A new technology that incorporates productive paradigms evolved and a new concept of production accessible to all which can lead to a new industrial revolution. The implications are studied and deepened not only by industry but also by the scientific and economic literature that outlines the limits and opportunities.

PROF. ENRICO MARIA MOSCONI

Direttore del CINTEST - Centro per l'Innovazione Tecnologica e lo Sviluppo del Territorio [www.unitus.it/cintest] Università degli Studi della Tuscia di Viterbo
enrico.mosconi@unitus.it
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