Rivoluzione totale: stampa 3D per la produzione industriale di massa

Uno degli aspetti che amo di più della stampa 3D (anche se quando ne parliamo a livello industriale è più preciso usare il termine manifattura additiva) è che sta trasformando il mondo noioso e complesso delle macchine in qualcosa di sorprendente e affascinante. Le nuove tecnologie di produzione additiva sono in evoluzione rapida e costante e stanno cambiando il volto dell’industria manifatturiera, rendendolo migliore, più veloce, più sostenibile e più capace di affrontare le esigenze individuali. Tutto quello che abbiamo dato per scontato da decenni – come lo stampaggio ad iniezione per la produzione di massa – può essere messo in dubbio e, a volte (in realtà la maggior parte delle volte) si scopre che c’è già chi ha trovato un nuovo modo di fare le cose.

Xaar-003Uno dei cambiamenti più radicali in questo senso è  il progetto FACTUM, finanziato dal Tecnology Stratgey Board britannico con 1,5 milioni di sterline. Il progetto studierà la tecnologia HSS (high speed sintering o sinterizzazione ad alta velocità), inventata dal professor Neil Hopkinson dell’Università di Sheffield e punterà a dimostrare che, per alcune geometrie piccole e complesse, i metodi di produzione additiva sono più conveniente rispetto agli stampi a iniezione per qualsiasi numero di parti. Quando questo succederà è ancora da capire ma la tecnologia esiste. Quindi l’abbiamo chiesto direttamente al Prof. Hopkinson

“Me lo chiedono spesso” ha ammesso. «Tutto è cominciato circa dieci anni fa, quando insieme al mio supervisore, il Prof. Phil Dickens, abbiamo condotto uno studio di cross-analisi per scoprire quale sarebbe il volume massimo per cui la sinterizzazione risulta più conveniente rispetto agli stampi ad iniezione, partendo dall’idea che si usa la sinterizzazione per un singolo pezzo e lo stampaggio ad iniezione per milioni di pezzi tutti uguali. Il risultato è stato che per un oggetto molto complesso il volume teorico di “cut-off” è stato fissato al 1440.000 unità . Al tempo nessuno pensava che sarebbe stato possibile. Ora, dieci anni dopo, sta accadendo.

Così Hopkinson ha deciso di raggiungere il prossimo obiettivo, cioè scoprire se la produzione additiva può essere utilizzata per la produzione di volumi nell’ordine o centinaia di migliaia o addirittura milioni di unità . Uno dei principali costi della sinterizzazione è l’ammortamento della macchina: una macchina più economica e più rapida sarebbe quindi un buon punto di partenza . Il primo passo nello sviluppo dell’HSS è stato di sostituire il laser con tecnologie a getto d’inchiostro e lampade a raggi infrarossi. Il primo prototipo di HSS ha permesso Hopkinson a prevedere che con un volume di stampa di 1 x 1 x 1 metri, un oggetto delle dimensioni di un dito richiederebbe 0,67 secondi. Un tasso di produzione che consente la diretta concorrenza con gli stampi iniezione.

Neil-Hopkinson-HSSHSS non solo è più veloce dell’SLS ma è anche in grado di produrre pezzi con proprietà meccaniche superiori perché sinterizzandoli con il calore il processo è più lento e delicato. “Sembra un paradosso”, spiega Hopkinson, “ma il tasso di produzione è più veloce perché siamo in grado di produrre molte più parti simultaneamente rispetto alla sinterizzazione laser e quindi possiamo impiegare più tempo per ogni singola parte. Il tempo di sinterizzazione ideale per una particella polimerica è tra uno e 10 secondi”.

“Un laser riscalda le particelle in una frazione di second , qualcosa nell’ordine di 60 millisecondo,” continua Hopkinson. “e questo non è un metodo molto efficace di sinterizzazione. Nel nostro processo – anche se è più veloce in termini di throughput – la lampada infrarossa passa a una velocità molto inferiore, applicando il calore alla particella per circa un secondo, che è molto più vicino al tempo di sinterizzazione ideale.” Per chiarire il concetto Hopkinson ci ha suggerito di immaginare di cucinare un pollo: il tempo ideale è di due ore, mentre il laser lo cucinerebbe in due secondi. Cucinandolo con il calore il processo sarà più delicato e la cottura risulterà migliore.

Il processo HSS è particolarmente efficiente per alcune geometrie che sono piccole e complesse ma che sarebbe possibile realizzare mediante gli stampi a iniezione . “Pensiamo che attraverso una catena di approvvigionamento aperta per i materiali questa tecnologia sarà utilizzata anche per grandi volumi, riducendo i costi. Infatti ora siamo convinti che esistano alcune geometrie complicate al punto in cui l’HSS sarà più conveniente degli stampi a iniezione per qualsiasi numero di componenti”.

Xaar-002La prima applicazione dell’HSS potrà essere nel packaging di beni di largo consumo (che è il motivo per cui Unilever ha co-finanziato il progetto FACTUM), ma anche su alcuni accessori mirati, come le calzature sportive. In un precedente progetto Hopkinson ha collaborato con New Balance sulla sinterizzazione laser di calzature per atleti top, ma la tecnologia HSS significa che potrebbe essere possibile realizzare inserti personalizzati per chiunque. “Immaginate questo: si va in un negozio, si cammina su un tapis roulant per registrare la distribuzione della pressione sul piede e quindi generare i dati per stampare la struttura esatta,” spiega . “Poi si passa a prendere le proprie scarpe personalizzate un’ora dopo”.

Poiché il costo fisso di una macchina basata su testina di stampa a calore è molto più basso di una alimentata al laser, Hopkinson prevede una versione più piccola delle stampanti HSS presenti anche nei punti vendita. Può sembrare qualcosa di ancora molto lontan , ma la velocità di sviluppo è aumentata enormemente negli ultimi mesi e lo studio FACTUM probabilmente la accelererà ulteriormente, anche se non ci sono ancora previsioni ufficiali per il lancio delle prime stampanti 3D HSS a livello commerciale.

Una stampante 3D a calore che è già arrivata sul mercato, però, è la Blue Printer. La tecnologia che utilizza è molto diversa ma il professor Hopkinson pensa che i due percorsi siano sinergici e che potrebbero offrirsi sostegno reciproco . “Sono un grande fan della Blue Printer e penso che sia davvero una buona idea e un’eccellente tecnologia a basso costo. Sono certo che presto ce ne saranno tantissime nelle scuole. Funziona utilizzando una testina di stampa termica che imprime calore sulla polvere. La fisica è diversa da quella della tecnologia HSS: Blu Printer utilizza la conduzione per riscaldare le particelle e quindi è un processo più lento, mentre HSS utilizza le radiazioni che sono molto più rapide. Personalmente ritengo che Blu Printer sia limitata in termini di scalabilità, che resti una grande tecnologia entry level”.

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