Il termine collettivo di processi di produzione additivi comprende tutti quei processi produttivi con cui si realizzano modelli tridimensionali, campioni, prototipi, utensili o prodotti finali attraverso l’applicazione automatizzata di strati successivi di materiale. Mentre si utilizzano materiali liquidi, in polvere o solidi a seconda dell’applicazione e del prodotto, per il modello costruttivo del processo si ricorre a modelli di dati creati al computer, i cosiddetti file CAD. La produzione a strati non richiede né utensili speciali né stampi da realizzare preventivamente. Da questo punto di vista la produzione additiva rappresenta il contraltare alla produzione classica sottrattiva, ovvero i processi di asportazione del materiale, quali la foratura, la fresatura o la tornitura. Insieme ai processi di produzione sottrattivi e a formatura, in cui il prodotto viene formato con l’impiego di stampi cavi, i processi di produzione additivi costituiscono i tre pilastri della tecnologia di produzione.

Oltre ad essere l’icona dell’Industria 4.0, i processi di produzione additivi e la stampa 3D imprimono un impulso innovativo all’intero settore industriale, e anche oltre. Le caratteristiche dei processi di produzione additivi sono maggiore redditività, personalizzazione e individualizzazione, struttura leggera dei prodotti e soprattutto realizzazione di forme mai viste prima. Tali processi rappresentano l’industrializzazione e la professionalizzazione di un nuovo modo di pensare nell’ambito della costruzione e produzione e dipendono da componenti precisi e affidabili quali i servoazionamento della serie FHA-C Mini o CanisDrive® di Harmonic Drive AG.

Processi di produzione additivi - Processo della tecnologia di stratificazione

Prima di avviare il processo di produzione ripetitivo di strati di norma molto sottili, per lo più spessi solo 0,001 mm, viene creata una serie di dati CAD 3D che funge da modello costruttivo. Questo corrisponde all’oggetto da realizzare ed è prodotto tipicamente con l’aiuto di un software 3D-CAD oppure tramite scansione di un oggetto già esistente. Successivamente si effettua la suddivisione dell’oggetto tridimensionale in diversi piani sottili di uguale spessore. Oltre allo spessore degli strati, la serie di dati creata comprende inoltre le misure dei contorni e la numerazione di ciascun piano.

Il processo vero e proprio di produzione additivo è composto sostanzialmente da due passaggi. In primo luogo si realizza uno strato in base alle informazioni fornite dalla serie di dati – a prescindere dal materiale e dalla scelta di un determinato processo di produzione additivo. In una seconda fase lo strato esistente viene collegato con quello prodotto; pertanto, l’ultimo piano realizzato rappresenta sempre la base dello strato successivo. Mentre questa catena di processo viene applicata per tutti i procedimenti, si differenziano sia il modo di produrre gli strati, sia anche il metodo utilizzato per attaccare tra loro i piani.

Suddivisione del processo di produzione additivo

Sin dall’invenzione del primo processo di produzione additivo, risalente ormai a più di 30 anni fa, il numero di altri processi generativi simili è costantemente aumentato. Per distinguere queste variazioni e modifiche, si effettuano tra l’altro classificazioni per quanto riguarda il materiale utilizzato. È comune la distinzione tra procedimento con letto di polvere, creazione di forme libere solide nonché procedimento basato su materiale liquido e altre produzioni a strati.

Dei processi di produzione che partono dallo stato liquido fa parte la stereolitografia, in cui una resina viene indurita selettivamente mediante un laser UV. Nella produzione con stereolitografia si impiegano strutture di supporto, che consentono di realizzare oggetti con cavità e sporgenze.

Un esempio di creazione di forme libere solide è il Fused Deposition Modeling (FDM), chiamato anche modellazione a deposizione fusa. In questo caso un apparecchio con un ugello di estrusione riscaldabile si muove liberamente nello spazio in base a un modello costruttivo. L’estrusore deposita sottili filamenti di un materiale plastico che s’indurisce all’istante. Il Fused Deposition Modeling rappresenta un processo di produzione relativamente conveniente ed è spesso utilizzato per la realizzazione di prototipi iniziali. Gli utenti devono fare i conti con un elevato grado di imprecisione del processo.

Tra i procedimenti con letto di polvere rientra la cosiddetta sinterizzazione con laser. Questo procedimento si basa su un materiale di partenza in polvere indurito gradualmente da un raggio laser in corrispondenza dei punti da solidificare. I prodotti realizzati con la sinterizzazione a laser sono estremamente leggeri, resistenti al calore e ad alta resistenza meccanica.  A seconda della macchina, del procedimento e del campo di applicazione si utilizzano come materiali di partenza vari materiali plastici e polveri, masse ceramiche, metalli, terre di fonderia o carta. La scelta del materiale si basa fondamentalmente sulle caratteristiche richieste per il prodotto. Gli attributi quali solidità e resistenza agli urti, resistenza alla temperatura e stabilità della forma, come anche estetica e biocompatibilità possono essere influenzati dalla scelta del materiale.

I requisiti posti al processo di produzione additivo per quanto riguarda l’applicazione altamente precisa dei singoli strati, in particolare nella sinterizzazione a laser, sono estremamente elevati. Per l’azionamento dell’asse Z una soluzione eccellente è costituita da potenti attuatori lineari compatti con mandrino integrato.

Panaromica dei processi di produzione additivi

  • Procedimento con letto di polvere (come la sinterizzazione selettiva a laser)
  • Creazione di forme libere solide (come FDM o il Contour Crafting)
  • Procedimento basato su materiale liquido (come la stereolitografia)
  • Altri procedimenti (come la serigrafia 3D)

Opzioni e vantaggi del processo di produzione additivo

Sia il progressivo sviluppo sia anche il crescente impiego di processi di produzione additivi in svariati settori industriali sono dovuti alle numerose caratteristiche e ai vantaggi delle tecniche di produzione in questione. Dove in passato il potenziale più significativo era la costruzione di prototipi, si sono realizzate oggi con successo varie applicazioni in serie. Ad approfittare di questa caratteristica sono soprattutto i settori in cui si utilizza generalmente un ridotto numero di pezzi e si sostengono elevatissimi costi di sviluppo, poiché elementi e componenti possono essere realizzati con il processo di produzione additivo non solo in modo conveniente, ma anche in tempi rapidi. In questo contesto si considerano all’avanguardia le applicazioni nella tecnica medicale e nel settore aerospaziale.

L’elemento caratteristico dei processi di produzione additivi è inoltre quello di poter realizzare oggetti e soluzioni di prodotto individuali senza dover effettuare regolazioni o apportare modifiche alla macchina o senza doverla addirittura sostituire. Essi consentono allo stesso modo un processo di produzione in cui la realizzazione segue la progettazione e lascia quindi libertà creativa. L’integrazione di strategie di produzione classiche con processi di produzione additivi rappresenta inoltre un grande potenziale e favorisce la costruzione ibrida in cui si combinano tra loro i vantaggi di diversi processi. Altre caratteristiche e vantaggi dei processi di produzione additivi – prevalentemente dal punto di vista industriale – sono l’incremento della redditività, l’ottimizzazione dei costi del ciclo di vita e dei costi di produzione così come la digitalizzazione della catena di processo.

Vanno rilevati anche l’uso efficiente delle risorse e gli effetti positivi in termini di sostenibilità dei processi di produzione additivi. Poiché questi ultimi permettono di produrre in funzione dei bisogni e in loco, è possibile risparmiare sulle spese di magazzino, evitare le produzioni eccessive e ridurre sensibilmente le vie e i tempi di trasporto.

Processi di produzione additivi nell'industria

Data l’enorme varietà di macchine per il processo di produzione additivo e le differenze per quanto riguarda complessità e capacità, il processo è utilizzato sia in ambito privato che industriale.

Tra i settori in cui i processi di produzione additivi sono diffusi e pertanto avanzati si contano quello aerospaziale, la tecnica medicale nonché l’industria automobilistica. In questo contesto il processo in questione consente, tra l’altro, l’applicazione di tecniche di costruzione leggera che in quanto filosofia costruttiva ha lo scopo di massimizzare il risparmio di peso e presuppone l’efficacia di materie prime, energia e costi. Nella tecnica medicale sono soprattutto i laboratori odontotecnici ad approfittare delle possibilità di personalizzazione del processo di produzione additivo, poiché non esistono due protesi dentarie uguali e vanno pertanto sempre adattate. I processi di produzione additivi consentono inoltre l’integrazione di nuove funzionalità nei componenti, una caratteristica che trova applicazione soprattutto nei settori della costruzione di stampi e aerospaziale. 

Processi di produzione additivi Stampanti 3D per l'uso domestico

Da alcuni anni si registra una crescente popolarità dei processi di produzione additivi per uso domestico, in particolare le stampanti 3D. Grazie soprattutto alla scarsa complessità e capacità dei dispositivi in questione, l’attenzione è rivolta alla stampa di oggetti generalmente molto semplici, quali figure e parti dure. Sebbene i processi di produzione additivi e il loro utilizzo presuppongano determinate conoscenze specialistiche, file CAD preconfezionati e istruzioni per l’uso consentono la stampa privata anche a utenti non formati.

 

I futuri progressi e lo sviluppo continuo di processi di produzione additivi favoriranno l’incremento dell’uso privato. È ipotizzabile che con l’acquisto di un prodotto qualsiasi siano messi a disposizione file CAD che rendono possibile la stampa di pezzi di ricambio. Le stampanti 3D e macchine simili faranno un ingresso proficuo nell’officina domestica. 

 

Sinonimi

Additive Manufacturing