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La Stampa 3D

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La Stampa 3D

  1. 1. 142 · TM Ottobre 2014 L a stampa 3D (3D-printing) è un metodo di produzione di oggetti tridimensionali a partire da un modello digitale che permette di creare oggetti completi, o parti, attraverso un processo di stratificazione sequenziale (layering). È una tecnica di produzione additiva (additive manufacturing) che costruisce gli oggetti aggiungendo mate- riale, contrariamente a quello che fanno le macchine utensili tradizionali (torni, frese, trapani), che asportano porzioni di materiali esistenti per ottenere i prodotti finiti (produzione sottrattiva). La produ- zione additiva è paragonabile alla realiz- zazione degli oggetti di argilla, vetro o porcellana, mentre la produzione sottrat- tiva è come la scultura di marmo e legno. Con stampa 3D si possono creare oggetti utilizzando vari materiali: plastica, metalli (acciai, alluminio, rame, metalli preziosi, leghe e super-leghe), ceramiche, fibra di carbonio, argilla, sabbia, vetro, carta, cioc- colato e altre sostanze alimentari, e persino cellule viventi (bio-printing), che sono utilizzati dalle stampanti 3D sotto forma dipolveri,liquidi,paste,filamentiolamine. Alcune macchine permettono di produrre oggetti con diversi colori e composti da materiali diversi, anche con alcune parti a geometria variabile o rotanti come cer- niere, snodi, cuscinetti a sfera, molle, ecce- tera. Per la stampa 3D sono disponibili numerose tecnologie, che si differenziano per il modo in cui sono costruiti gli strati che creano gli oggetti. Alcuni metodi, come il ‘selective laser sintering’ (Sls) e la modellazione a deposizione fusa (fused deposition modeling - Fdm), fondono o ammorbidiscono i materiali per produrre gli strati, mentre altri, come la stereolito- grafia (Sla) solidificano materiali liquidi. Nei sistemi di laminazione (laminated object manufacturing - Lom) fogli sottili di materiali (anche comuni fogli di carta) vengono tagliati e uniti insieme per otte- nere la forma voluta. Ogni metodo ha i propri vantaggi e limiti, e si presta a uti- lizzare determinati materiali, quindi alcuni produttori offrono più di una tecnologia. Le principali considerazioni per scegliere una stampante 3D sono generalmente le dimensioni, la velocità di produzione, il costo della macchina, i costi della scelta di materiali e di colori. I processi di fab- bricazione additiva sono standardizzati dallaAmericansocietyfortestingmaterials (Astm),chedefinisceanchelaterminologia standard e la classificazione delle tecno- logie di ‘additive manufacturing’. I prezzi delle stampanti 3D variano da poche cen- tinaiadifranchiperlestampantiamatoriali in grado di produrre piccoli oggetti in pla- stica o argilla, alle decine e centinaia di migliaia di franchi per le stampanti indu- striali che producono grandi parti metal- liche. Per produrre un oggetto tramite un processo di stampa 3D, si seguono i seguenti passi: mediante strumenti di pro- gettazione Cad 3D (o scanner 3D se si vuole riprodurre un oggetto esistente) si crea un modello digitale dell’oggetto; poi si esporta il modello a una stampante 3D, generalmente tramite un file in formato standard Stl (standard tessellation langua- ge) che descrive il pezzo come un insieme di strati (layer); a questo punto la stam- pante 3D ‘legge’ il file e produce il pezzo strato per strato (layer-by-layer); infine l’oggettoprodottovienesottopostoaeven- tuali operazioni di finitura (pulitura, trat- tamenti superficiali). La stampa 3D presenta diversi vantaggi rispetto ai metodi di produzione conven- zionali: un’idea si può trasformare diret- tamente in un prototipo o in un prodotto finito partendo da un file sul computer di Stato attuale dell’arte e le opportunità per le industrie svizzere. La stampa 3D /Banca Migros Sopra,Giancarlo Magnaghi,ingegnere, docente e titolare dello Studio Magna- ghi Sas. Sarà il relatore dei seminari sulla stampa 3D che si terranno al Novotel di Lugano, il 21 ottobre e il 3 dicembre venturi. A sinistra, modello di un collettore di un motore Ford. un progettista, evitando intermediari e molti stadi della produzione tradizionale. La produzione additiva assorbe meno energia della produzione sottrattiva, può ridurre la quantità di materiale sprecata nei processi di fabbricazione e creare oggetti che è difficile o impossibile otte- nere con le tecniche tradizionali. Applicazioni e impatti sul mercato. Secondo le più autorevoli ricerche di mer- cato, la stampa 3D è una delle tecnologie emergenti (disruptive technologies) che rivoluzioneranno le nostre vite nei pros- simi 10-20 anni. Wohlers prevede che il mercato mondiale delle stampanti e dei servizi 3D, che nel 2012 valeva 2 miliardi dollari, dovrebbe superare i 10 miliardi di dollari entro il 2021. Secondo McKinsey, a partire dal 2025 la fabbricazione additiva produrrà un impatto economico globale dai 230 ai 550 miliardi di dollari all’anno. La società di ricerche di mercato Gart- ner Group ha pubblicato nello scorso ago- sto una versione del suo ‘hype cycle’ che descrive il ciclo di vita e il grado di matu- razione nei vari campi applicativi delle principali tecnologie che costituiscono l’articolato ecosistema della produzione additiva. Le opportunità di mercato sono notevoli sia nel campo hobbistico e arti- gianale dei maker (modellismo, giocattoli, accessori, gioielleria, calzature, moda, ceramica, scultura, parti per restauri, pasticceria), per realizzare oggetti unici o personalizzati (con produzione diretta nei fab lab o tramite centri servizi), sia nel campo industriale (dalla realizzazione di prototipi alla produzione di parti funzio- nali). I mercati più promettenti sono - oltre al ‘rapid prototyping’ - produzione artigianale, oggetti di design, oreficeria e orologeria, industria aerospaziale, mec- canica di precisione, protesi e altri dispo- sitivimedicali,cherichiedonounaltolivel- lo di personalizzazione e complessità. La possibilità di costruire molti prodotti vicino all’utilizzatore finale tramite pro- duzione additiva con le stampanti 3D per- metterà di incrementare la flessibilità rispetto alle esigenze del cliente e la velo- citàdiconsegna,consignificativeriduzioni di inventario. Non sarà più necessario spe- dire il manufatto da una fabbrica centrale, ma si potrà scaricare il file con il modello digitale e fabbricare il prodotto vicino al cliente. La produzione additiva può richie- dere un cambiamento profondo della filie- ra produttiva, modificando i ruoli degli attori e proponendo nuovi modelli di busi- ness. Questo cambiamento porterà oppor- tunità e sfide all’industria svizzera, per- mettendo produzioni flessibili e localizzate vicino agli utilizzatori. Inoltre diventerà molto più facile per le aziende che operano in campo internazionale decidere in base 144 · TM Ottobre 2014 3D-printing in dettaglio Processi / tecnologie Descrizione dei processi Materiali Prodotti / Mercati Binder jetting Processo di produzione additiva in cui un legante liquido Polimeri, metalli, • Prototyping • 3D printing (3Dp) è depositato selettivamente per aggregare i sabbia da fonderia, ceramica • Stampi per fonderia • Ink jetting (Ij) materiali in polvere. • Parti funzionanti Directed energy deposition Processo di produzione additiva in cui un’energia termica Metalli in polvere e fili • Riparazioni • Direct metal deposition concentrata è usata per fondere i materiali che vengono • Parti funzionanti • Laser deposition depositati (simile alla saldatura). Material extrusion Processo di produzione additiva in cui i materiali sono Polimeri termoplastici • Prototyping • Fused deposition depositati selettivamente da un ugello. Sviluppata da Stratasys. (Abs, Pla, policarbonato, Ultem) • Piccoli oggetti modeling (Fdm) Dopo la scadenza del brevetto è utilizzata dalle stampanti fiberglass, nylon, kevlar • Medicali detta anche open source RepRap che chiamano questa tecnologia fibra di carbonio • Fused filament Fused filament fabrication (Fff) poiché la Fused deposition fabrication (Fff) modeling (Fdm) è un trademark di Stratasys. Material jetting Processo di produzione additiva in cui sono depositate Polimeri, cere • Prototyping • Polijet selettivamente gocce di materiale. • Stampi per fonderia • Ink jetting Powder bed fusion Processo di produzione additiva in cui un’energia termica Polimeri, metalli, acciaio inox, • Prototyping • Selective laser sintering (Sls) fonde selettivamente porzioni di un letto di polveri. ceramiche, sabbia, vetro, • Parti funzionanti • Direct metal laser sintering (Dmls) leghe di titanio e di cobalto, • Selective laser melting (Slm) Inconel, alumide • Electron beam melting (Ebm) Sheet lamination Processo di produzione additiva in cui fogli di materiale Fogli di carta, di plastica o di metalli • Prototyping • Laminated object manufacturing (Lom) vengono uniti per formare un oggetto. e colla materiali ibridi • Parti funzionanti Vat photopolymerization Processo di produzione additiva in cui un fotopolimero liquido Fotopolimeri, ceramiche • Prototyping • Stereolitografia (Sla) in un serbatoio è solidificato selettivamente tramite una polimerizzazione attivata dalla luce. A sinistra, una testata funzionante di motore motociclistico ottenuta tra- miteproduzioneadditiva.Paginaaccan- to in basso, l’acquisizione della geo- metria di uno scarpone tramite uno scanner 3D.
  2. 2. alla propria convenienza in quali paesi investire, produrre, creare occupazione e pagare le tasse. Le questioni aperte sulla stampa 3D. Come tutte le tecnologie rivoluzionarie nascenti, anche la produzione additiva sof- fre di alcuni ‘problemi di gioventù’, molti dei quali sono in via di rapida soluzione. Elevati sono i costi delle macchine, soprat- tutto quelle indirizzate al mercato indu- striale. Secondo McKinsey, il prezzo medio delle stampanti industriali è di 75mila dollari e può anche superare il milione di dollari per alcuni modelli di punta. Però i prezzi sono in rapida discesa, per varie ragioni: la scadenza dei bevetti delle principali tecnologie di produzione additiva, che favorisce la concorrenza; le economie di scala derivanti dal numero sempre maggiore di macchine vendute; il progresso tecnologico, che migliorando la qualità, la versatilità e le prestazioni delle macchine, ne favorisce il downsizing, a cui si aggiunge la concorrenza dal basso delle stampanti amatoriali RepRap, che costano anche meno di 500 dollari e pos- sono sostituire in taluni casi le stampanti industriali di fascia bassa. Elevati costi e scarsa disponibilità dei materiali. Mentre nel campo della ‘per- sonal fabrication’ i principali materiali, come l’acrilonitrile-butadiene-stirene (Abs) e il polilattato (Pla), sono ormai stan- dardizzati ed è possibile acquistarli sul libero mercato. Per le stampanti industriali le materie prime sono spesso fornite esclu- sivamente dai produttori, poiché vengono progettate e prodotte per garantire il fun- zionamento ottimale delle macchine a cui sono destinate e garantire così le proprietà dei prodotti creati. Sono però in atto ricer- che per realizzare nuovi materiali sempre più performanti e ‘intelligenti’ e gli enti di standardizzazione sono al lavoro per definire alcuni materiali utilizzabili su tutte le macchine, con notevoli economie. Tempi di produzione lunghi. Anche se le stampanti 3D diventano sempre più veloci ed efficienti, la stampa tridimen- sionale è particolarmente adatta per pro- durre in piccola scala oggetti complessi e non sostituirà mai la produzione su larga scala di oggetti semplici. Se si considera tutto il ciclo di vita del prodotto - progetto, prototipazione, attrezzaggio, produzione delle parti, montaggio, finitura, gestione dei magazzini e spedizioni - appare che i processi di produzione 3D, anche se sono più lenti di quelli tradizionali, rendono piùvelocelaprogettazione,espessorichie- donomenooperazionidimontaggio,sem- plificano la catena logistica e riducono drasticamente i tempi di spedizione. Necessità di nuove competenze e orga- nizzazioni. La diffusione della stampa 3D richiede notevoli competenze relative alla progettazione Cad 3D e alla gestione di macchine elettroniche sempre più sofi- sticate. Aumenta, quindi, la domanda di personale esperto nella progettazione Cad 3D e nella gestione delle macchine. È pro- babile che in taluni casi si passi dalle grandi fabbriche a piccole unità produttive distri- buite sul territorio (fabbrica diffusa). Concorrenza sleale e contraffazione. In prospettiva, la diffusione della produ- zione additiva può favorire l’aggravamento di alcune problematiche. Infatti, con uno scanner e una stampante 3D diventa facile riprodurre oggetti protetti da marchi e brevetti, favorendo la contraffazione dei prodotti. Di tutti questi argomenti si par- leràneiseminarichesiterrannoalNovotel di Lugano, il 21 ottobre e il 3 dicembre, per presentare agli operatori un panorama completo dello stato dell’arte e delle opportunità offerte dalla stampa 3D. Saranno anche presentati i più recenti dati di mercato, con il contributo di Vincenzo Guido di Venosa, esperto di marketing delle tecnologie innovative. Giancarlo Magnaghi TM Ottobre 2014 · 145

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