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44– Considerazioni e sostenibilità dei processi AM - Coggle Diagram
44– Considerazioni e sostenibilità dei processi AM
Scelta dei processi AM
Scelta processi AM
• Scelta tecnica AM più adatta si basa sulla definizione dell'obiettivo di produzione della
parte da realizzare:
• estetico
• funzionale
• investigativo o visivo
• Fattori variabili di analisi alla base delle possibili scelte:
• tecnologia
• risoluzione e precisione
• materiali e software
• proprietà meccaniche del materiale
• finitura superficiale
• tempo di produzione
• costo
• dimensioni massime
• Altri fattori: Requisiti specifici, garanzia, rumore, certificazione CE, temperatura operativa, connessioni elettriche e consumo, interfaccia, peso, ricambi e materiali di consumo
Caratteristiche
Costi
• Costo macchine (manutenzione e post-prod.)
• Costi unitari di modellazione
• Training operatori
• Software di modellazione e controllo
Dimensioni
• Spazio di lavoro
• Dimensioni e peso macchina
• Livello di rumore
• Accessori necessari
Materiale di
lavoro
• Colore o colori, trasparenza
• Possibilità di riciclo
• Caratteristiche tecniche del materiale
• Temperatura di lavoro
Precisione
• Precisione
• Altezza/spessore layer
• Minima dimensione dettagli
• Minimo spessore di parete
Altro
• Velocità di lavoro verticale
• Network/on-line connection
• Supporto file, software associati
• Adattabilità e facilità di manipolazione
o Punti di forza delle tecniche AM
• Due caratteristiche costituiscono la differenza principale tra le tecniche AM e
processi convenzionali. (vantaggi competitivi, non più costoso)
• Complessità geometrica della parte. Eleganti forme geometriche, interni cavi, canali interni, spessori variabili, forme irregolari → facilmente riprodotti in base al modello geometrico ottenuto da un CAD 3D
• Personalizzazione della parte da fabbricare. I prodotti identici o completamente diversi possono essere ottenuti senza notevoli influenze sul processo e senza costi aggiuntivi (valore aggiunto)
• Ricadute nel settore industriale:
• Prodotti leggeri. progettati per una funzione specifica e con caratteristiche su misura, es: più leggeri per motivi di risparmio di peso, resistenza o costi (diversi gradi di porosità con stesso materiale)
• Prodotti multimateriali. prodotti utilizzando più materiali contemporaneamente (introduzione di nuove funzionalità o l'abbassamento dei costi)
• Prodotti ergonomici. progettati con maggiore grado di interazione conl'utente (es. caratteristiche antropometriche esatte)
• Meccanismi integrati. produrre meccanismi (cuscinetti, molle) incorporati nell'articolo finito senza la necessità di assemblaggio successivo e regolazioni
o Evidenti benefici intrinseci:
• Riduzione del time-to-market: non solo per prototipi, molte fasi di lancio e convalida possono essere drasticamente ridotte, fornisce grande flessibilità in risposta ai continui cambiamenti della domanda di mercato
• Tempi brevi di produzione: dimensioni del ciclo di produzione possono essere minime a livello di utilizzo unitario → mancanza di necessità di utensili
• Riduzione degli errori di assemblaggio e dei relativi costi: assemblati possono essere ottenuti con unica operazione (ispezione del controllo qualità)
• Riduzione dei costi di investimento degli utensili: non necessari utensili o stampi → riduzione/eliminazione dei costi associati (fabbricazione utensili, interruzioni dovute a modifiche, manutenzione e ispezione)
• Processi ibridi: è sempre possibile combinare diversi processi di produzione. Es. additive + subtractive per sfruttare al meglio i vantaggi offerti da entrambI
• Utilizzo ottimale dei materiali: lo spreco di materiale è ridotto al minimo. Materiale di scarto può essere riciclato
• Basso impatto ambientale: i prodotti chimici tossici non vengono utilizzati direttamente in quantità apprezzabili
o Limitazioni intrinseche:
• Effetto staircase: complicazione delle forme curve e finitura superficiale estremamente ruvida. Es. alberi e i fori sezione circolare nella pianta
• Produzioni medio-piccole: produzione stessa può essere lenta se il ciclo di produzione raggiunge una certa dimensione può essere opportuno utilizzare una tecnologia convenzionale
• Materiali: materiali utilizzati in alcune delle tecnologie potrebbero non essere adatti per produzioni
• Anisotropia: molte tecniche per il layering producono parti anisotrope → opportuna valutazione in funzione dell’applicazione
• Tolleranze: maggior parte dei processi AM producono tolleranze maggiori di quelle
ottenute utilizzando altri metodi di produzione (sottrattivi)
• Alcuni degli aspetti a livello di applicazione industriale vedono limitazioni nelle
velocità e nella qualità ottenibile così come i costi → superabili
qualità
BASSA
circa 0.1 mm
costo
ALTO
0.1-10 dollari per grammo
velocità
BASSA
0.01-1kg/h (migliora)
flessibilità
IMPRESSIONANTE
Sfruttarlo al meglio
Campi d’impiego e prospettive dei processi AM
Competitività
• Additive manufacturing → tecnologia DISRUPTIVE
• Competitività data da:
• ottimizzazione del consumo di materiali
• creazione di nuove forme
• personalizzazione dei progetti
• riduzione di alcune tempistiche di produzione
• Con trasformazione dei modelli di business esistenti
• Limite attuale: livello di maturità progettuale per inserimento in ambito industriale
• Ulteriore potenziale nel settore manifatturiero riducendo i costi di produzione, di logistica e inventario, nello sviluppo e nell'industrializzazione di nuovi prodotti
Secondo relazione della Commissione europea ‘la produzione additiva è una delle tecnologie emergenti dell'era digitale, con un impatto significativo sull'industria’ – [Identifying Current and Future Application Areas, Existing Industrial Value Chains and Missing Competences in the EU, in the Area of Additive Manufacturing (3D-Printing) —Final Report; European Commission: Brussels, Belgium, 2016]
• Si basa sui potenziali vantaggi:
• riduce la complessità/dimensione delle catene di approvvigionamento
• aumenta l'efficienza delle catene del valore di produzione attraverso la riduzione dei tempi e dei costi per lo sviluppo,
• possibilità di nuovi prodotti e aumenti significativi della personalizzazione a costi vantaggiosi
o Campi d’impiego
• La piattaforma europea di produzione additiva individua due mercati distinti per la
produzione additiva:
• mercato industriale che comprende i settori medico, aerospaziale e
automobilistico
• es. AM con IoT sta trasformando il settore sanitario, consentendo importanti innovazioni nella tecnologia medica e nelle procedure chirurgiche, come l'ortopedia, l'odontoiatria, i prodotti farmaceutici, la cardiologia e l'ingegneria dei tessuti
• mercato dei consumatori, che comprende accessori e intrattenimento
• Langefeld B. et al. (2020) stima che:
• entro il 2020 la produzione additiva raggiungerà un volume di mercato di 11 miliardi di euro generato dalle vendite di prototipi, materiali e produzione di componenti
• una prospettiva ottimistica in grado di raggiungere circa 130 miliardi nel
prossimo decennio [.
• Nel 2019 i settori di produzione additiva in cui l'innovazione può davvero essere vista
sono:
• prodotti di consumo
• industria automobilistica
• medicina e ingegneria medica
• industria aeronautica
• architettura
• costruzioni
• alimenti
• Altri settori d’interesse commerciale:
• gioielleria (es. modelli microfusione)
• arte
• sport
• industria tessile
• giochi
• All’interno dell’industria le parti AM vengono principalmente impiegate (Wohlers
Report 2016):
• 32.5% parti funzionali
• 16.2% assemblaggio
• 10.1% ricerca
• 8.5% visualizzazione
• 8.3% modelli per fonderia metalli
• 8.2% modelli rappresentativi
• 7.4% modelli per prototype tooling
• 7.2% componenti per utensili
• 1.5% altro
• Esempio applicazione nella Ricerca
• Settore aerospaziale
• NASA sta cercando un progetto di habitat costruito utilizzando processi AM come
base per costruire case sulla superficie di Marte:
• Obiettivo finale: ottenere un progetto spaziale che permetta agli astronauti di rimanere sul pianeta rosso per lunghi periodi
• Diversi progetti sono in corso per condurre ricerche sui materiali ed esplorare le possibilità della tecnologia 3D (infrastrutture necessarie potrebbero essere costruite direttamente sul pianeta utilizzando risorse già presenti)
• Prospettiva AM accelererebbe impresa → ridurrebbe notevolmente parti che avrebbero bisogno di essere portate
• La tecnologia 3D e l'uso delle risorse possono contribuire a ridurre i costi sia a lungo che a breve termine
• Economicità
• Analisi del ciclo di vita dimostrano che l'adozione dell'AM potrebbe avere notevoli
risparmi:
• Risparmi stimati in 113 e 370 miliardi di euro entro il 2025, derivanti dalla riduzione delle operazioni di produzione, movimentazione materiali e catene di approvvigionamento più brevi (Gebler et al. 2014)
• Vantaggi economici dal miglioramento dell’efficienza dei processi nella progettazione, nei test e nella produzione (superiori ai vantaggi derivanti dal risparmio in utensili) (Atzeni e Salmi, 2012)
• Risparmio nella riduzione del ritardo tra progettazione e produzione
• Ulteriori riduzioni dei costi se la forma del componente viene modificata per sfruttare appieno i potenziali AM
• Utilizzo di componenti AM può anche portare a risparmi sui costi nella fase di utilizzo (resistenza/peso)
Aspetti di sostenibilità dei processi AM
Aspetti sociali, economici ed ambientali
• La produzione additiva imita i processi biologici creando prodotti strato per strato:
• intrinsecamente meno dispendioso rispetto ai metodi di produzione sottrattivi
tradizionali
• detiene il potenziale per disaccoppiare la creazione di valore sociale ed
economico dall'impatto ambientale delle attività commerciali
• AM sembra una forza trainante per una migliore sostenibilità industriale
o Sostenibilità AM
• Vantaggi di sostenibilità potenziali di AM, tre maggiori:
• Miglioramento dell'efficienza delle risorse: è possibile migliorare le fasi di produzione e di utilizzo, in quanto i processi di produzione e i prodotti possono essere riprogettati per AM;
• Durata estesa della vita del prodotto: attraverso approcci come riparazione, rigenerazione e ristrutturazione, e modelli socio-economici più sostenibili come maggiore affinità persona-prodotto e relazioni più strette produttoriconsumatori (Kohtala, 2015);
• Riconfigurazione delle catene: catene di produzione e approvvigionamento più brevi e più semplici, più solide, modelli di distribuzione innovativi e nuove collaborazioni, riduzione scorte di magazzino (Chen et al., 2015)
• Conseguenze nel sistema industriale potrebbero portare a uno scenario alternativo:
• maggior personalizzazione e un più alto tasso di obsolescenza dei prodotti →
aumentare il consumo di risorse
• produzione localizzata → meno efficiente,
• Efficienza del processo è un elemento chiave dell'impatto ambientale associato alla
produzione
• Aspetti chiave di sostenibilità legati a:
• consumo risorse in tutte le fasi produttive
• consumo energetico (approvvigionamento, produzione, trasporto)
• riduzione processi pericolosi in ogni fase
o Consumo energetico
Valutazioni generiche facendo riferimento alla singola tecnica AM
MATERIAL JETTING (polyjet)
LOW ENERGY
BINDER JETTING (3DP)
VAT PHOTOPOLIMERIZATION SLA
MATERIAL EXTRUSION (FDM)
SHEET LAMINATION ( LOM )
HIGH ENERGY
POWDER FUSION BED (SLS/ SLM )
DIRECT ENERGY DEPOSITION
• Valutazione del consumo energetico è difficile → impatto è dipendente da (Faludi
et al., 2015):
• utilizzo della macchina
• specifiche di ogni pezzo
• apparecchiature AM
• come viene elaborato l'input del materiale
• Condivisione di macchine e utensili è fondamentale per ridurre l'impatto ambientale
dell'AM
• Design freedoms
• Potenziali miglioramenti di sostenibilità possono essere apportati da riprogettazione
del prodotto e dei componenti.
• Es.
• diverse parti sostituite da un unico assemblato integrato, ridurrà o eliminerà costi, tempi e problemi di qualità derivanti dalle operazioni di assemblaggio
• riprogettazione può comportare un rapporto resistenza-peso ottimale per soddisfare i requisiti funzionali riducendo al minimo il volume di materiale
• Richiede competenze di progettazione e competenze specifiche AM che gli
individui e le organizzazioni non possono raggiungere da un giorno all'altro
capacità di ottimizzare geometrie e creare componenti leggeri →
riducono consumo di materiali in produzione e il consumo energetico in uso:
• ridurranno consumo energetico e potrebbero generare risparmi di 56 e 219
miliardi di dollari entro il 2025 (Gebler et al., 2014)
Implicazioni di sostenibilità dell’AM
• In generale le implicazioni di sostenibilità dell'adozione di AM sono molteplici
sull’interno ciclo produttivo
• Si possono valutare nelle quattro fasi del ciclo vita (S. Ford et al.(2016)) :
progettazione di prodotti e processi (product and process design)
lavorazione del materiale in input
make-to-order e manufacturing
closing the loop
o Product and process design
• Design freedoms:
assiemi più semplici che comprendono meno parti e meno materiali diversi
benefici a livello di maggiore efficienza operativa, ed energetica, funzionalità e durata, facilità di produzione e maintenance (Despeisse e Ford, 2015))
produrre stampi e utensili per ottimizzare energia e risorse
• Potenziale di riprogettazione va oltre la produzione tradizionale:
Esempio di riprogettazione sostenibile:
o settore delle costruzioni (importante consumatore di materiali, energia e acqua) significativa opportunità di efficienza delle risorse (Buyle et al., 2013): construction in-situ es. condomini 3Dprinted in Cina
o impatto ambientale logistica: portare meno materiali da e verso il sito
di costruzione, ridurre scarti
o Lavorazione del materiale in input
• Potenziale risparmio materiale in input parzialmente compensato da (Faludi et al.,
2015):
tossicità relativa del materiale per AM
impatto energetico per la produzione del materiale di input e della lavorazione stessa
Es. SLM molta energia consumata nel processo di raffinazione e lavorazione dei minerali metallici
• Potenziale aumento del tasso di riciclo
materiali riciclati in input es. in FDM sfridi e scarti termoplastici recuperati e riutilizzati (necessità di estrusore per filamento)
conversione di rifiuti in prodotti es. sfridi legno beni di lusso utilizzando AM → upcycling (cradle to cradle approach) creare valore da spreco
Materiali per AM non sono più verdi (rispetto alle produzioni tradizionali)
o Unica eccezione può essere per i biopolimeri come PLA
o Make to order components
• AM ideale per la produzione make-to-order
• Modello riduce consumo di energia e risorse, consente interazione diretta tra consumatori/clienti e produttori locali (de Jong e de Bruijn, 2013).
• Possibilità:
database di design digitali consente ai prodotti di essere fabbricati su
richiesta utilizzando AM
reti come Hub 3D → piattaforma online che collega i proprietari di stampanti
3D con i clienti (accesso a produzione locale)
• Modello di distribuzione in cui collaborazione non lineare e localizzata tra attori con ruoli e responsabilità mal definiti potrebbe causare conflitti e incompatibilità (Chen et al., 2015)
• Inoltre, insieme in continua evoluzione di attori e concorrenti crea un contesto di investimenti che rende difficile la formazione della strategia aziendale e il posizionamento competitivo.
o Closing the loop
• Tentativi di chiusura del ciclo possono essere raggiunti in varie fasi AM
recupero del valore più elevato si ottiene durante il recupero di materiale
inutilizzato (polvere 95-98% o resina) (Petrovic et al., 2011)
• Fine vita del prodotto, sistemi di riciclo in loco ricollegati all'AM, scarti in nuove
applicazioni:
necessaria standardizzazione dei materiali → maggiore diversità materiali
riciclati, maggiore complessità dei processi necessari
necessità di un ulteriore sviluppo e della convalida delle proprietà dei
materiali e delle tecnologie AM
o Conclusioni
• In termini di sostenibilità AM:
più efficiente in termini di risorse (meno rifiuti rispetto alle tecniche sottrattive)
AM è più ad alta intensità energetica per unità prodotta (prestazioni relative)
maggiore utilizzo delle materie prime, maggiore uniformità materiali,
maggiore possibilità di riciclo
AM consente di produrre unità per corrispondere esattamente alla domanda (make-to-order) e offre il potenziale per migliori prestazioni assolute