Additive Manufacturing: cos’è e i vantaggi derivanti

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Additive Manufacturing definizione

Nel corso degli ultimi anni si parla con sempre maggiore rilevanza di Additive Manufacturing, un processo industriale che, grazie a tecnologie specifiche, è in grado di realizzare componenti, semilavorati e prodotti finiti contraddistinti da alta precisione, ottimizzando i costi di produzione.  

 

Che cos’è l’Additive Manufacturing

 

Come nasce la definizione di Additive Manufacturing? Semplicemente, il processo opera per addizione, ovvero l’oggetto si costruisce aggiungendo materiale fino al suo completamento.

 

Per capire meglio le caratteristiche chiave della produzione additiva è bene chiarire anche altri concetti. Innanzitutto,  questo procedimento costituisce l’opposto della manifattura tradizionale, quella basata sul principio sottrattivo, ovvero un prodotto che viene realizzato procedendo per sottrazione di materiale.  

Esempi delle tecniche tradizionali sono la fresatura e la tornitura, in cui gli oggetti vengono ricavati mediante l’asportazione di materiale da un blocco iniziale. 

 

L’Additive Manufacturing è conosciuto anche come stampa 3D dal momento che realizza prodotti partendo da un file di progettazione digitale.

 

Inizialmente la tecnologia di stampa 3D è stata utilizzata per la prototipazione rapida a partire dalla metà degli anni '80; recentemente la sua diffusione è stata favorita dalla riduzione dei costi delle macchine, dall'abilità di produrre oggetti più grandi in meno tempo e dalla identificazione di opportunità mass production ricorrendo ad una vasta gamma di materiali e filamenti disponibili.

 

 

Come la produzione additiva può incidere sui processi produttivi manifatturieri

 

Vantaggi derivanti dall'utilizzo dell'additive manufacturing

Esempi di additive manufacturing si trovano nella produzione di componenti utilizzati nel settore aeronautico, così come nell’industria Automotive e motorsport, medica ed edile, sostituendo le tecnologie di produzione tradizionali.

 

Le varie tecnologie di fabbricazione additiva vengono impiegate per la produzione in serie altamente personalizzate, per la creazione di oggetti per sistemi orientati al just in time, così come per far fronte alle emergenze dovute alla mancanza di componenti per la produzione in linea.  

 

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Presentazione del processo di utilizzo

 

Per produrre oggetti mediante le tecnologie di produzione additiva, occorre seguire una serie di step predefiniti. Questo file può essere ottimizzato attraverso tecniche CAE (Computer Aided Engineering).

 

Una volta ottenuto il file CAD finale, è possibile procedere alla produzione mediante una stampante 3D che fonde il materiale attraverso un laser oppure lo deposita attraverso un ugello eventualmente attaccato a un braccio robotico. 

 

Il software presente all'interno della stampante elabora il file CAD, suddividendolo in una serie di livelli e creando un percorso da seguire per la produzione dell'oggetto. Il materiale da utilizzare per la produzione può essere sotto forma di filamenti, polvere o resina liquida, a seconda della tecnologia utilizzata. 

 

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Tipologie di Additive Manufacturing

 

Le differenti tecnologie di produzione additiva 

Esistono diverse tecnologie di additive manufacturing, tra cui la fusione laser selettiva (Selective Laser Melting - SLM), la stereolitografia (SLA) e la deposizione di filamenti fusi (Fused Deposition Modeling - FDM).  

 

Ognuna di queste tecnologie presenta processi e tecniche specifiche. Una volta completata la stampa 3D, è possibile procedere con ulteriori lavorazioni, ad esempio, quelle meccaniche, come CNC e trattamenti termici, il taglio, la levigatura o la verniciatura degli oggetti.  

 

Modellazione a deposizione fusa

La tecnologia di modellazione a deposizione fusa FFF o FDM (Fused Filament Fabrication o Fused Deposition Modeling) utilizza filamenti polimerici (Pla, Abs Nylon, Pet, Peek) raccolti in bobine e fusi da uno o più estrusori.

Gli estrusori, ovvero ugelli o punte riscaldate, fluidificano i filamenti e li muovono in base alle coordinate del software che definiscono il perimetro esterno, interno, il riempimento e tutti i dettagli previsti dal file.

La posizione dell'estrusore può essere controllata da diversi meccanismi come gantry, core XY, polare, delta o bracci robotici antropomorfi attraverso uno specifico estrusore montato sulla testa. Dopo aver terminato il livello, il piano su cui poggia l'oggetto rimane fermo e l’estrusore si alza per iniziare il successivo. Una volta completata la stampa, l'oggetto viene lasciato raffreddare e poi estratto, pronto per l'uso. 

Stereolitografia

 

All’interno delle tecnologie di stereolitografia, esistono tre metodi per la stampa di oggetti tridimensionali.  

 

Il primo, noto come stereolitografia laser, si rifà alla creazione di un oggetto stampato solo con sorgenti di luce (fotopolimerizzazione del materiale tramite fascio laser e raggi UV) 

 

Per la creazione dell'oggetto, la tecnologia impiega una piastra forata posta sul fondo di una vasca contenente una resina liquida. Qui, un raggio laser viene proiettato e modulato per creare l'immagine del primo livello dell'oggetto. La piastra si abbassa per ogni successiva scansione fino a completare l'oggetto. Lo stampato viene infine sottoposto a una luce ultravioletta all’interno di un forno. È necessario evitare di posizionare le macchine in un ambiente non ventilato a causa della tossicità delle resine liquide. 

 

Il secondo metodo è dato dalla stereolitografia DLP - Digital Light Processing, che utilizza una sorgente luminosa proiettata a distanza minima dalla resina per garantire una maggiore risoluzione. In questo processo, il polimero si indurisce strato su strato a contatto con la luce. 

 

Il terzo metodo è costituito dalla stereolitografia LCD - Liquid Crystal Display, che utilizza schermi a cristalli liquidi retroilluminati da sorgenti ultraviolette per creare oggetti tridimensionali. 

 

Sinterizzazione laser (SLS) 

 

La sinterizzazione laser o SLS – Selective Laser Sintering  produce un singolo oggetto solidificando (sinterizzando) strati di polveri attraverso l’utilizzo di un laser.  

 

Al termine di questo processo il pezzo è liberato dalla polvere in eccesso e posto in forno con tempi variabili a seconda delle caratteristiche dell’oggetto da creare.

 

Il Selective Laser Melting si rifà a una tecnologia di stampa 3D, nata in Germania a metà degli anni ’90. La particolarità è che non sinterizza ma fonde le polveri metalliche in una massa solida e omogenea, ricorrendo a un laser ad alta potenza, seguendo un disegno 3D precedentemente realizzato.  

 

Tale metodo prevede l’utilizzo di materiali e risultati molto simili a quelli ottenuti con tecniche tradizionali per ciò che concerne estetica e performance 
 
I produttori che utilizzano questa tecnologia assicurano una maggior purezza del materiale e maggiori prestazioni degli articoli realizzati. 

 

Selective Laser Melting (SLM)

 

Il Selective Laser Melting si rifà a una tecnologia di stampa 3D, nata in Germania a metà degli anni ’90. La particolarità è che non sinterizza ma fonde le polveri metalliche in una massa solida e omogenea, ricorrendo a un laser ad alta potenza, seguendo un disegno 3D precedentemente realizzato.  

 

Tale metodo prevede l’utilizzo di materiali e risultati molto simili a quelli ottenuti con tecniche tradizionali per ciò che concerne estetica e performance 
 
I produttori che utilizzano questa tecnologia assicurano una maggior purezza del materiale e maggiori prestazioni degli articoli realizzati. 

 

Multi Jet Fusion (MJF)

 

Per Multi Jet Fusion (MJF) si intende un processo di stampa 3D estremamente affidabile ed efficiente, un sistema di stampa 3D a letto di polvere sviluppato da HP. 

 

Rappresenta la tecnologia ideale per sostituire le lavorazioni CNC o di stampaggio ad iniezione. 

 

Tra i suoi vantaggi presenta la capacità di realizzare prototipi in modo estremamente rapido, ma di massima qualità; risparmiare impieghi di tempo ed evitare errori nella progettazione, creare componenti con le caratteristiche richieste a costi estremamente competitivi. 

 

Binder Jetting (BJ)

 

 Il Binder Jetting (BJ) rappresenta una tecnologia di produzione additiva che utilizza un letto di polveri fatte aderire attraverso un legante (binder) depositato tramite una testa a getto d'inchiostro.  

 

Il Binder Jetting fa sì che le polveri vengano distribuite su un piano di stampa attraverso una spatola o un rullo, con uno spessore variabile che ne determina la risoluzione di stampa in direzione Z.  


Tramite una testa a  getto d'inchiostro, simile a quella utilizzata nelle comuni stampanti ink-jet, vengono rilasciate minuscole gocce di materiale legante in grado di definire la risoluzione sul piano X-Y. Al termine del processo il piano di stampa si abbassa, viene quindi rilasciato un altro strato di polvere sul quale viene stampato un nuovo strato. Operazione ripetuta fino alla deposizione di tutti gli strati necessari a realizzare l'oggetto. 

 

Direct Energy Deposition (DED)

 

Il processo di deposizione diretta di energia, noto anche come Direct Energy Deposition (DED), è comunemente utilizzato nei processi di additive manufacturing per riparare o aggiungere materiale a componenti esistenti. Sebbene sia possibile fabbricare completamente nuovi pezzi utilizzando questa tecnologia, il suo impiego principale riguarda per lo più specifiche applicazioni industriali, come la riparazione di lame di turbine o eliche danneggiate. 

 

Nel DED, simile ad altre tecnologie di fusione a letto di polvere (PBF) come LPBF o EBM, si utilizza una fonte di energia concentrata, come un raggio laser o un fascio di elettroni, per fondere il materiale. Tuttavia, ciò avviene simultaneamente alla deposizione del materiale tramite un ugello. In un certo senso, questa tecnologia si colloca a metà strada tra l'estrusione di materiale e la fusione a letto di polvere. 

 

È importante ricordare che tale processo viene spesso definito con altri nomi come Laser Engineered Net Shaping (LENS) e Direct Metal Deposition (DMD) a seconda dell'applicazione specifica o del metodo utilizzato. 

 

 

Vantaggi derivanti dall’utilizzo delle produzioni additive

 

Additive Manufacturing

L'Additive Manufacturing permette di fare produzioni ad elevata personalizzazione, sia in forma di prototipi che in produzioni di serie.

 

Il successo di tale evoluzione si basa sulla possibilità di realizzare componenti leggeri e di precisione, basandosi sui dati inseriti nel file di progettazione, riducendo così, in primis, il consumo di materiali. 

Non solo, la produzione avviene in una sola fase, il che comporta una notevole riduzione dei costi di prototipazione e di progettazione delle varianti

 

Grazie alla capacità di realizzare pezzi multicomponente con funzioni integrate, si semplificano gli assemblaggi, si riducono i processi e si limita l'utilizzo di risorse umane. 

 

La produzione additiva può anche essere utilizzata per riparare componenti, aumentando così la durata dell’oggetto o dell'impianto, riducendone al contempo l'impatto ambientale. 

I materiali impiegati nella maggior parte dei processi di Additive Manufacturing sono riciclabili, come nel caso dei filamenti, o riutilizzabili, come nel caso delle polveri.  

 

Occorre sottolineare un ulteriore aspetto. L'Additive Manufacturing consente la creazione di oggetti altamente personalizzati e complessi, articoli che sarebbe difficile, se non impossibile, realizzare con altri metodi di produzione. 

 

Oggetti, creati quindi su misura, adattati alle esigenze puntuali dei clienti. Poiché ogni prodotto può essere creato partendo solo da un modello 3D, il processo di produzione può essere facilmente personalizzato per soddisfare richieste sempre più specifiche.

 

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