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Smart Manufacturing

Stampa 3D per l’industria: quanto costa produrre con l’additive manufacturing?

L’insieme di tecnologie che permette di realizzare prototipi, componenti e prodotti finiti per addizione di materiale è uno dei pilastri di Industria 4.0. Il punto è capire quale tecnologia di Additive Manufacturing è più adatta alla singola azienda, e come confrontarne il costo con quello dell’attuale sistema produttivo. Un modello può aiutare a valutare l’impatto tecnico e quello economico

24 Gen 2018

Francesco Carlo Modolo

Massimo Zanardini

L’Additive Manufacturing (stampa 3D in alcune accezioni) è considerato uno dei pilastri tecnologici della quarta rivoluzione industriale. È un insieme di tecnologie che permette di realizzare prototipi, semilavorati, prodotti finiti, parti di ricambio, attraverso l’addizione di materiale, processo contrario rispetto a quello che avviene nelle tecnologie tradizionali in cui la produzione avviene attraverso la sottrazione di materiale (tornitura, fresatura, …).

Se la stampa tradizionale su carta è ormai considerata una pratica quotidiana, la stampa di un prodotto fisico tridimensionale in diversi materiali (plastica, metallo, ceramica, cera, gesso, ecc.) partendo da un modello CAD è ancora relativamente poco diffusa e ristretta a un piccolo numero di campi di applicazione.

Stampa 3D: non una tecnologia, ma 10

Tabella 1 - Le 10 tecnologie di stampa 3D sul mercato, differenziate per materiale e processo di formazione degli strati
Tabella 1 – Le 10 tecnologie di stampa 3D sul mercato

Le tecnologie additive sono molteplici e in continua crescita. Volendo fare un po’ di ordine, si può prendere a riferimento l’ente americano di standardizzazione ASTM che considera due elementi chiave nella classificazione e nella descrizione di queste nuove tecnologie:

1.    Materiali: una prima differenziazione è data dall’utilizzo di due macro categorie di materiali diversi: polimerici (PLA, ABS, resine acriliche, nylon, silicone, gomme, ecc.) e metallici (acciaio inox, alluminio, titanio, oro/argento, leghe e superleghe).

2.    Processo di formazione degli strati: ovvero il sistema con cui le stampanti creano fisicamente gli oggetti.

L’incrocio tra queste due variabili porta all’individuazione di dieci differenti tecnologie di Additive Manufacturing, descritte nella Tabella 1 qui sopra.

La rapida maturazione ed evoluzione delle stampanti 3D, in termini di materiali, velocità di sviluppo del processo e dimensioni ottenibili, sta accrescendo sempre di più l’interesse delle aziende verso queste tecnologie, non solo per la prototipazione di oggetti, ambito per il quale sono nate, ma anche per la produzione di oggetti finiti.

In funzione dell’utilizzo previsto, quindi, si possono identificare quattro ambiti di applicazione principali:

  1. Prototipazione (Rapid Prototyping o RP).
  2. Produzione indiretta (Rapid Tooling o RT) per la produzione di utensili, attrezzi e stampi.
  3. Produzione diretta (Rapid Manufacturing o RM), utile per la produzione di componenti finiti da usare direttamente all’interno di prodotti e processi.
  4. Parti di ricambio.

Un database delle stampanti 3D sul mercato in Italia

Per un’azienda che si approccia all’Additive Manufacturing è fondamentale poter rispondere a queste due domande:

  1. Esistono delle tecnologie in grado di soddisfare le caratteristiche tecniche e le proprietà meccaniche che i clienti richiedono?
  2. Qual è il costo di questi sistemi produttivi?

Per rispondere alla prima domanda è necessario investigare la composizione del mercato dei provider tecnologici, allo scopo di identificare quali operatori operino e quali siano le tecnologie e i materiali offerti.

Il Laboratorio RISE dell’università di Brescia che nel corso degli ultimi 4 anni sta seguendo da vicino il tema, ha realizzato un database in cui sono state classificate le stampanti vendute sul territorio italiano. Ad oggi il Database si compone di 115 stampanti, classificate con i seguenti parametri:

  • Materiale: permette una suddivisone dei principali materiali utilizzati per la stampa quali metallo, polimeri, sabbia e cera;
  • Produttori;
  • Tecnologia: per ogni stampante classificata, il database indica la tecnologia a cui appartiene, in base alla classificazione tecnologica fornita nel primo capitolo;
  • Dimensioni di stampa: distinzione tra area in pianta e volume complessivo di stampa;
  • Precisione: ovvero la risoluzione minima in µm ottenibile;
  • Velocità di stampa: dato fondamentale per le prestazioni della stampante, per il calcolo della capacità produttiva e per l’analisi dei costi, espresso solitamente in cm3/h o g/h;
  • Prezzo
Figura 1 – Il modello di costificazione dei processi additivi

Per rispondere alla seconda domanda è richiesto invece lo sviluppo di un modello economico per l’implementazione della stampa 3D nelle aziende. Grazie a questo strumento è possibile capire se la tecnologia possa essere conveniente non solo dal punto di vista tecnico, ma anche da quello economico. Anche se va detto che la validazione tecnica può assumere un peso maggiore rispetto a quella economica, qualora i sistemi additivi permettano di migliorare radicalmente le prestazioni dei prodotti grazie ai principi del free form design e del complexity is for free.

Quali sono le voci di costo che sono impattate dall’impiego delle tecnologie additive? Dall’analisi dei principali modelli di costificazione emergono quattro famiglie di costo principali, quali:

1.    Costo Materiali: suddivisi in materiale diretto, di supporto e di scarto;

2.    Costo Manodopera: legati alle attività di pre e post processo dell’operatore (caricamento materiale, rimozione pezzi, trattamenti successivi…);

3.    Costo Macchinari (stampanti);

4.    Altri costi: comprendono i costi dell’energia e il costo delle lavorazioni di post-produzione richieste, rispettivamente tra lo 0-2% e il 6-8% dei costi totali.

I risultati del check-up: un caso reale

Si consideri un’azienda del settore automotive, con 150 dipendenti e 60 milioni di euro di fatturato. La prima implementazione della stampa 3D è avvenuta nel 2001 a supporto della produzione di circa 500 prototipi a settimana tramite la tecnologia SLA. Il check-up è stato applicato con l’intento di verificare se l’impiego della tecnologia fosse ancora oggi giustificato dai numeri, sia in termini di caratteristiche tecniche sia di costi di utilizzo. Il modello in questo caso ha abilitato un confronto tra i costi attuali della tecnologia con una sostitutiva, ovvero con la tecnologia SLS (vedi grafico sotto).

La differenza di più del doppio dei costi tra le due tecnologie (78,50 euro contro 33,34 di costo unitario) è dovuta principalmente al diverso impatto del costo del materiale: la resina costa più di 5 volte della polvere di nylon. Un’altra notevole differenza è data dai costi dei macchinari e dal numero di stampanti necessarie per le due diverse tecnologie (7 nel primo caso e 2 nel secondo): tale differenza è legata alle differenti velocità di lavorazione delle due tecnologie.

Valutando unicamente aspetti di natura economica, quindi, risulterebbe nettamente preferibile il passaggio alla tecnologia SLS. Tuttavia, inserendo nella valutazione aspetti di carattere funzionale dei prodotti realizzati, la scelta di adozione della tecnologia SLA pare ancora confermata: la qualità del prodotto realizzato, impiegato per test aerodinamici, è un fattore troppo critico e importante per la resa finale dei prodotti. La resina, nonostante costi più di cinque volte del PA12, garantisce una qualità superficiale ottimale.

stampa 3D costi SLA SLS additive manufacturing
I costi delle tecnologie SLA e SLS di stampa 3D a confronto in un caso reale

Una stampante 3D in ogni casa

La manifattura additiva è il perno della rivoluzione di Industria 4.0 e, come in ogni rivoluzione, conoscere la chiave di volta del cambiamento consente di essere sempre un passo avanti rispetto agli altri. Nel 1975 Bill Gates aveva previsto un futuro con un computer su ogni scrivania e uno in ogni casa; oggi sono in molti a credere che, in un futuro non lontano, ci sarà una stampante 3D in quasi tutte le abitazioni e che questa tecnologia risulterà fondamentale per le aziende per essere leader nel proprio settore.

La manifattura additiva evolve a ritmi ancora galoppanti: tutte le tecnologie, infatti, si stanno evolvendo rapidamente in termini di materiali utilizzabili, di dimensioni della camera e velocità di stampa. Un esempio è il sistema di stampa che impiega 4 laser in parallelo per la sinterizzazione delle polveri di materiale, oppure ancor più dirompente il caso della nuova tecnologia chiamata CLIP (Continuous Liquid Interface Production), su cui sono stati investiti per ora più di 100 milioni di dollari la quale dovrebbe essere in grado (il condizionale è d’obbligo) di stampare 10 volte più velocemente rispetto alle altre tecnologie. Stare al passo con un’evoluzione così rapida è difficile, ed è complicato creare modelli di costo precisi. Per questo motivo è preferibile un approccio semplice, intuitivo e flessibile, in grado di fornire risposte chiare ed immediate a supporto del processo decisionale delle singole aziende.

* Francesco Carlo Modolo, già tesista presso Università degli Studi di Brescia. Massimo Zanardini, 3DP specialist, IQ Consulting (Spin-off dell’Università degli Studi di Brescia). Per ogni approfondimento sul servizio di check-up stampa 3D: http://www.iqconsulting.it/Offerta/Stampa3D.aspx

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