Stampa 3d per settore automobilistico

La produzione additiva o stampa 3D, si configura come una particolare tecnica di produzione che ha come scopo la creazione di un oggetto tridimensionale partendo da un file digitale creato con progettazione assistita da computer ovvero la CAD. Il termine, come spesso accade in questi casi, comprende diversi processi e differenti tecniche che basano il loro sviluppo sul deposito e utilizzo di uno o più materiali per la costruzione dell’oggetto.

Nella maggior parte dei casi, i materiali utilizzati sono riferibili alla plastica, al metallo e alla cera con tutti i materiali compositi che ne possono derivare. La stampa 3D si sviluppa quindi apponendo uno strato dopo l’altro di materiale per creare l’esatta forma presente all’interno del file di origine. La caratteristica che più differenzia questa tecnica dalle altre è la presenza e il monitoraggio di un computer dall’inizio alla fine del processo di costruzione. Ciò rende la stampa 3D un metodo economico ed efficiente da sfruttare al massimo.

La precisione data dall’intervento di base di un computer è il vero punto di forza della stampa 3D che per queste ragioni offre libertà d’azione su qualsiasi geometria o complessità di progetto, velocizzando il processo di produzione e partendo velocemente da un concept. Una simile tecnica oggi è utilizzata in ogni settore industriale per la creazione di una miriade di progetti che riguardano tanto i prototipi quanto gli articoli finali. Con la tecnologia adatta e un file di progettazione, si può produrre ogni cosa, dagli strumenti alle componenti utilizzate per il montaggio di un prodotto più grande. La bontà del sistema riguarda il grande lavoro fatto per sviluppare le stampanti che oggi si differenziano per dimensioni e quantità di lavoro possibili.

La stampa 3D e la rivoluzione nel settore automobilistico

È innegabile che il settore industriale, e in particolar modo quello legato alla produzione automobilistica, abbia giovato enormemente dagli sviluppi e dai vantaggi apportati da questo tipo di stampa. In un ambito di produzione su scala all’interno del settore automobilistico o automotive in generale, la tecnologia di stampa 3D ha delle enormi applicazioni senza dover contare su possibili mire espansionistiche che stanno portando ogni giorno a nuove concezioni di produzione sempre più efficaci ed efficienti. Ecco perché, nell’analisi della stampa 3D sul settore automotive, è buona norma partire dalla distinzione dei primi e maggiori vantaggi apportati da questo modo di produrre. La semplificazione del flusso di progetto è la prima, se non la più importante, caratteristica ad essere stata rivoluzionata dalla stampa 3D. In tal caso, infatti, si assiste ad una produzione che elimina tutti i tempi morti e realizza tutto senza grossi errori.

Questa tecnica riesce a superare i tempi di produzione precedenti, i dati offerti dagli studi effettuati sul campo industriale, specie nel settore automotive, dichiara una riduzione di ben 15 volte sulla precedente velocità. Ricordiamo che una maggiore velocità di costruzione equivale sempre ad una riduzione dei costi unitari. In secondo luogo si annovera la produzione di parti più resistenti e leggere. Tale caratteristica è possibile, in alcuni casi, unicamente tramite la stampa 3D.

Si punta, in questo caso, alla creazione di parti in polimeri differenti che vengono poi rafforzati con fibre metalliche come il carbonio, allo scopo di ridurne drasticamente il peso. In tutto ciò, la resistenza e le proprietà tecniche del pezzo prodotto non vengono intaccate ma al contrario vengono ulteriormente implementate.

In terzo luogo ricordiamo la capacità della produzione tramite stampa 3D per il settore automobilistico di poter realizzare un parti stampate in 3d in precedenza in un unico pezzo. In quest’ottica si ha una duplice riduzione che riguarda tanto i tempi di commercializzazione quanto lo spreco di materie prime. Tramite queste due variabili è possibile rivolgersi ai servizi di stampe 3D ottenendo tempi ridotti per la produzione da un lato e contribuendo ad una riduzione sensibile ed ecologica dell’utilizzo di materie prime. Potendo formare prodotti diversi in modo più veloce, la stampa 3D offre alle aziende che sfruttano tale possibilità una relativa ottimizzazione dell’ inventario aziendale e quindi un miglioramento della gestione sulla catena di fornitura.

L’automotive è il settore che più sta attingendo dai vantaggi di questa tecnologia e per questo l’implementazione delle stesse stampe 3D ha ricevuto una grande spinta. La produzione di utensili, pezzi unici, maschere e attrezzature di vario genere all’interno del settore automobilistico è tra le prime fonti di produzione che ultimamente sta sfruttando sempre più i polimeri come valida e più economica alternativa ai metalli. Volkswagen è uno dei grandi attori nel panorama mondiale dell’auto che ha riscontrato risultati eccellenti proprio grazie alla stampa 3D nell’automotive.

La personalizzazione è per alcuni aspetti la vera rivoluzione per quello che riguarda il settore dell’auto. Tramite la stampa 3D è possibile personalizzare alcuni elementi di design riguardanti la struttura dell’auto in modo facile e veloce e ciò permette di ottenere grandi risparmi creando un unico pezzo riguardante una determinata componente sia esterna che interna alla macchina. Da questo vantaggio ne consegue un altro di diretta applicazione: la sostituzione. Grazie alle tecnologie di scansione 3D, infatti, è possibile attuare una produzione additiva, ovvero riprodurre i pezzi di ricambio che non è possibile reperire sul mercato per diverse ragioni, si pensi ai modelli fuori produzione.

Per questi vantaggi, il settore automotive è tra i principali utilizzatori della stampa 3D secondo unicamente al settore aerospaziale. La libertà di progettazione, unita alla possibilità di realizzare prodotti più economici ma altrettanto resistenti, ha permesso a colossi europei e americani di ottenere importanti risparmi sulle tempistiche di produzione ma anche risparmi economici.

Come viene sviluppata la stampa 3D automotive

Le applicazioni di una tecnologia cosi rivoluzionaria come la stampa 3D sono suddivise in quattro categorie principali che accolgono un po’ tutti gli ambiti di produzione del settore automobilistico. In primo luogo c’è da considerare il grande apporto di questo metodo nel campo della progettazione tramite prototipi. Sia che si tratti di mock-up di partenza o di modelli dettagliati e progettati in scala, i prototipi rappresentano uno step fondamentale per la produzione e lo sviluppo automobilistico. I modelli concettuali, infatti, permettono ai vari team di ingegneri di verificarne l’aspetto e la sensazione generale.  Quello che viene spesso definito come l’appeal visivo e l’esperienza d’uso di un’auto partono proprio dai prototipi.

Agire con la stampa 3D con una prototipazione rapida quindi significa offrire l’opportunità di vedere in che modo i diversi componenti possono relazionarsi tra di loro e quindi avere una valutazione più precisa di come le varie componenti collaborino. Il vantaggio è avere una chiara analisi di ciò che funziona e di quello che non va per apporre immediatamente le dovute modifiche.

In tutto questo, la stampa 3D offre evidenti vantaggi gestionali, tempistici e logistici. Si accelera lo sviluppo, quindi, producendo interazioni nel progetto molto più veloci. Avendo un minor tempo di sviluppo, si può procedere con più test effettuabili nello stesso tempo e questo modo di produrre elimina più problemi in minor tempo. Una delle procedure che spesso viene utilizzata grazie alla stampa 3D riguarda gli esperimenti fatti con modelli in scala all’interno delle gallerie del vento al fine di misurare le forze aerodinamiche coinvolte per verificare le effettive prestazioni del pezzo. Il secondo settore di applicazione per la stampa 3D, dopo i prototipi, è quello degli utensili, delle attrezzature e delle maschere in generale. Si fa riferimento qui alla creazione di utensili a basso costo e di rapida utilizzazione. Gli ausili per la produzione rappresentano poi l’altra grande applicazione per il settore dell’auto.

Un prodotto come l’automobile, infatti, presenta una miriade di componenti appartenenti a diversi sottoinsiemi separati tra di loro. Il montaggio di determinate componenti all’inteno del telaio, tramite gli ausili di produzione, diventa molto più veloce e facile da eseguire. Logica vuole, quindi, che migliorando gli ausili di produzione si migliori di conseguenza anche la produzione. Le maschere, i morsetti, le dime e le varie attrezzature sono quindi al centro degli sviluppi tramite stampa 3D. Sfruttando simili servizi, si possono ottenere utensili e attrezzature personalizzate in base alla propria produzione e ad un progetto in particolare. Da non dimenticare, invece, sono le applicazioni riguardanti gli stampi in termoformatura, utilizzati per gestire la produzione di lastre riscaldate in plastica estrusa. Oltre ai prototipi e agli utensili, si arriva alle vere e proprie parti di produzione.

Le due categorie principali in cui la stampa 3D entra in azione riguardano la produzione di tutto ciò che è esterno e visibile e delle componenti meccaniche. Al primo gruppo si fa riferimento quando si parla di cruscotti, telai di sedili, pezzi di rivestimento, prese d’aria, pannelli di controllo o condotti di raffreddamento. In questo caso, come accade per le coperture e gli accessori della console centrale, le componenti vengono realizzate in polimeri come ABS o materiali termoplastici. Quello che è esterno entra in contatto con il conducente e per questo devono godere di una precisione di fabbricazione molto alta oltreché di una qualità visiva ed estetica adeguata al livello del brand.

Non essendo spesso legate alla sicurezza, la produzione di queste parti tramite stampa 3D è relativamente semplice. Il vantaggio che si può ottenere in tal caso è la facilità di produzione che porta ad una più semplice personalizzazione del prodotto e quindi ad una gamma più ampia nella propria offerta. Le componenti interne come le staffe di montaggio e i vari alloggiamenti come i quadrilateri delle sospensioni e le componenti frenanti rientrano nel secondo gruppo di parti fabbricate tramite stampa 3D. Qui si utilizza il titanio o una lega di alluminio in quanto simili componenti subiscono sollecitazioni meccaniche e termiche ingenti e costanti.

La quarta applicazione di questa tecnologia, dopo i prototipi, gli utensili e le parti di produzione, sono quindi i ricambi o le riparazioni di manutenzione. Offrire ai propri clienti la disponibilità di pezzi di ricambio sta diventando sempre più una sfida per i vari produttori nel settore automotive. Questo perché negli ultimi 130 anni sono state prodotte migliaia di auto declinate in altrettanti modelli.

Ognuna di queste auto necessita innegabilmente di pezzi di ricambio che spesso appartengono a catene di produzione ormai dismesse. Possedere quindi il pezzo giusto al posto giusto rappresenta un vantaggio notevole. Se si aggiunge il dettaglio logistico della produzione su ordinazione e non su magazzino, i costi si riducono ulteriormente. Ecco perché la velocità, ma sopratutto l’efficienza della tecnologia 3D, consentono di avere una risposta in termini di vantaggi economici e gestionali. I file CAD digitali possono essere utilizzati solo quando serve in quanto archiviati su server e questo allo scopo di ottimizzare i livelli di stock eliminando cosi la necessità di mantenere uno stoccaggio di magazzino. Le componenti difficili da reperire per varie ragioni, quindi, possono essere tranquillamente scansionate digitalmente e sottoposte al reverse engineering per poi essere stampate in 3D.

Le opportunità per la stampa 3D

Tutti vantaggi sopracitati stanno gradualmente contribuendo a rendere la stampa 3D un metodo di produzione mainstream di facile applicazione per il settore automobilistico. Le opportunità reali per questa tecnologia si possono ravvisare per volumi di produzione di medio-bassa estensione e per prodotti di alto valore o dalle geometria complessa. Le ultime applicazioni per la stampa 3D sono infatti in continua crescita ed evoluzione nel settore dell’automotive. In primo luogo c’è la mobilità verde.

Come ogni altro settore, l’industria dell’automobile è sottoposta alle pressioni atte ad indirizzare la produzione verso un’identità maggiormente sostenibile. La stampa 3D in questo caso alleggerisce di molto l’inquinamento tramite l’utilizzo di parti e componenti che pesando di meno, riducono l’inquinamento. La riduzione del peso nell’ordine del 10% produce un miglioramento del 6% sull’efficienza del carburante impiegato negli spostamenti nel settore termico. In quello elettrico, invece, i miglioramenti sono del 14%. Nel settore elettrico dell’automotiv, l’attenzione al peso delle componenti è più alto in quanto l’immissione di un pacco batterie molto pesante obbliga i costruttori a ridurre il peso altrove. Riducendone il peso, l’auto migliora la sua autonomia. Tramite la produzione in stampa 3D, si eliminano le emissioni di carbonio relative alle catene di fornitura in quanto i file CAD possono essere inviati in ogni parte del globo con un clic.

I servizi di stampa 3D tramite le varie tecnologie

La Multi Jet Fusion rientra tra i metodi di produzione in stampa 3D più diffusi. Sviluppata da HP, questa tecnologia offre la possibilità di stampare parti complesse mantenendo i costi relativamente bassi e con tempi di produzione più brevi rispetto a tecnologie alternative. Il mercato ha dimostrato sin dai primi sviluppi il proprio interesse verso questa tecnologia e le sue potenzialità. In questo caso si possono ottenere conduttori complessi a parete sottile, contenitori, coperture, staffe e connettori oltre a cli di cablaggio, anelli di tenuta e tirature limitate. Si possono produrre pezzi di ricambio e articoli in pre-produzione. I servizi offerti dalla tecnologia MJF consentono di monitorare un numero maggiore di modelli all’interno di un unico ciclo di lavoro anche mentre si stampa e questo permette di gestire le varie proprietà meccaniche e funzionali oltreché estetiche delle parti prodotte. La stampa in resina SLA utilizza, invece, l’illuminazione lineare con un serbatoio flessibile per ottenere dalla resina liquida stampe perfette.

La stereolitografia, quindi, è il nuovo capitolo della stampa 3D in quanto riduce di molto le forze di distacco al fine di offrire una maggior qualità di stampa e un’affidabilità maggiore per quello che riguarda le proprietà meccaniche del pezzo prodotto. In questo caso, la stampa permette di ottenere un livello di precisione molto elevato, il sistema di lenti e specchi che indirizzano la luce LPU, attua una produzione ad alta precisione che si distingue da altre tecnologie.

La tecnologia LPBF, invece, sfrutta la fonte di calore del laser a fibra per eseguire una scansione selettiva e fondere le polveri metalliche. Successivamente al raffreddamento, le varie particelle di polvere ormai fuse si solidificano e producono la componente da stampare. La LPBF è una tecnologia di grande innovazione, l’acronimo riassume una perfetta descrizione di come questo processo possa stampare i prodotti in metallo: Laser Powder Bed Fusion.

Basata su tutt’altra piattaforma, invece, la Direct Extrusion permette di ottenere una maggiore velocità di estrusione appunto. Tramite una configurazione diretta relative all’estrusione, il meccanismo spinge il filamento nell’ugello direttamente. Attraverso questo funzionamento, si possono ottenere vantaggi notevoli tra cui un’estrusione più affidabile, una migliore retrazione, la possibilità di lavorare con un motore meno potente e una gamma più ampia di filamenti. I valori stimati hanno fatto registrare un aumento della velocità da 20 a 50 volte rispetto alla tradizionale FDM con costi ridotti sensibilmente.