Startseite » Allgemein »

Una stampante invece degli strumenti

Produzione generativa: Nuove possibilità per i fabbricanti nell'ambito dell'ingegneria biomedica
Una stampante invece degli strumenti

Oggi prototipi, domani prodotti di serie: la produzione generativa si trova a un punto di svolta finale anche nell’ingegneria biomedica. I prezzi dei materiali scendono, ma la tecnica di processo rimane una sfida.

Il californiano C.J. Howard voleva continuare a essere attivo anche dopo una diagnosi di osteosarcoma e la successiva amputazione della sua gamba sinistra. Ha imparato ad arrampicarsi, inizialmente con la sua protesti del piede standard, sulla quale indossava una scarpa da roccia. Ma una scarpa speciale non era adatta alla forma generica della protesi e si logorava rapidamente. Per questo motivo, insieme a una compagna di scalate, un ingegnere aerospaziale, ha progettato una protesi del piede ottimizzata. Come tecnologia di produzione, l’ingegnere ha preso in considerazione solo masse fuse al laser di metallo, perché con le consuete tecniche di produzione sarebbero state necessarie giunture sul piede, viti sporgenti o dadi. Si è rivolto al prestatore di servizi di stampa 3D Morris Technologies, dove tutti erano pronti ad aiutare uno sportivo affetto da handicap.

I dati CAD digitali del piede-protesi sono stati letti nel software e poi scomposti in singole informazioni stratificate. Queste sono state poi ricomposte da un sistema di colata al laser dei metalli di EOS, Krailing, l’una dopo l’altra, in titanio (Ti64). Il vantaggio della produzione generativa risiede nel fatto che la protesi può essere adattata all’anatomia del paziente. Se non è adatta da subito, basta ottimizzare il file CAD.
Come mostra l’esempio, la produzione generativa ha trovato applicazione nell’ingegneria biomedica. Gli esperti di mercato di Wohlers Associates e Roland Berger deducono che il 16 % del fatturato con componenti prodotti in modo generativo toccherà all’ingegneria biomedica, che così rientrerà tra i settori di applicazione principali. Ciò corrisponde a un volume di 280 milioni di euro. Roland Berger prevede che il mercato complessivo di macchine, materiali e servizi, per tutti i settori esploderà nei prossimi dieci anni. Entro il 2023 quadruplicherà, raggiungendo una cifra pari a 7,7 miliardi di euro. Contribuirà al raggiungimento di tale risultato non solo la pubblicità per le stampanti 3D in ambito Consumer: la produzione generativa abbandonerà la stadio di prototipazione e sarà pronta per la produzione in serie. Secondo Wohlers, nel frattempo il 28 % di tutti i componenti realizzati con produzione additiva sono associabili alla produzione in serie e la tendenza è in crescita.
„Si tratta perlopiù di piccole serie, per le quali i costi per gli strumenti di stampaggio a iniezione sarebbero troppo alti“, afferma Ralf Schumacher, ricercatore presso l’Institut für Medizinal- und Analysetechnologien IMA (Istituto per tecnologie medicinali e di analisi) della Hochschule für Life Sciences – Fachhochschule Nordwestschweiz. „Proprio in ambito medico si ha anche un’elevata percentuale di soluzioni personalizzate, come gli apparecchi acustici, che si adattano al canale uditivo, o le sagome per l’applicazione di protesi per il ginocchio“.
La fetta più grande della torta è però quella dell’odontotecnica, secondo la valutazione di Roland Berger del settore all’interno dell’intera industria, che a oggi è stato l’unico a raggiungere la maturità per la produzione, al pari dei metodi classici di produzione per rapidità e qualità. Secondo il fabbricante di macchine EOS, con un sistema, entro 24 ore si possono produrre 450 corone o ponti personalizzati, sulla base dei dati digitali. Al confronto: un odontotecnico arriva in media a 40 corone o ponti al giorno. 70 di queste macchine EOS sono già in funzione in tutto il mondo con una produzione 6,8 milioni di prodotti sostitutivi dentali ogni anno. „Nell’odontotecnica, la produzione in serie funziona molto bene con processi generativi, perché le geometrie dei prodotti si assomigliano molto e pertanto si è potuta creare una consolidata competenza di processo. In tutti gli altri ambiti, manca proprio questo, afferma Schumacher.
„La produzione generativa si compone di una catena di processo molto impegnativa. La chiave per il successo è padroneggiarla“, conferma Christoph Erhardt, Director Additive Manufacturing & Quality Management presso il prestatore di servizi di stampa 3D Alphaform Claho, a Eschenlohe, in Germania. „Nell’industria, tuttavia, non funziona in modo così semplice come suggerirebbero gli ambienti Consumer: alimentare la stampante con dati CAD, premere il pulsante ed ecco un componente funzionante“. Nella sinterizzazione laser dei metalli, ad esempio, è necessario trovare l’intensità e la velocità ottimali del laser. Secondo Roland Berger, in una stampante 3D industriale, possono essere definiti fino a 180 diversi parametri. Dopo la stampa, seguono processi di rilavorazione come trattamento termico o lucidatura.
Un parametro importante, che contribuisce alla complessità, sono anche i materiali: grandezza e purezza della polvere fanno la differenza. „Anche se si utilizzano materiali noti da convenzionali processi di produzione, in ogni caso è necessario realizzare una qualificazione dei materiali“, secondo Erhardt. „Perché lo spessore e le caratteristiche meccaniche cambiano nella stampa 3D“. Molte macchine richiedono inoltre materiali di proprietà, venduti dai fabbricanti dei sistemi, o concessi in licenza, per aumentare la sicurezza di processo nella stampa 3D.
Il costruttore di macchine per stampaggio a iniezione Arburg, di Loßburg, nella Foresta Nera, porterà quest’anno sul mercato Freeformer, la prima stampante 3D, sulla quale si possono lavorare granulati artificiali standard come ABS, PC, PA nonché materiali elastici come il TPE. Ma anche qui, si possono solo tracciare alcuni parallelismi tra produzione convenzionale, pertanto stampaggio a iniezione, e stampa 3D, avverte il dott. Oliver Keßling, caporeparto preformatura plastica presso Arburg: „Quello che molti desiderano è un componente che, fabbricato con produzione additiva 1:1, abbia le stesse caratteristiche del corrispondente pezzo stampato. In pratica uno stampaggio a iniezione in piccole serie senza strumenti. Naturalmente ciò non è possibile. Pertanto, nella produzione additiva, occorre fare i conti con le limitazioni imposte dal processo per quanto riguarda qualità della superficie e resistenza alla trazione. Inoltre, non è possibile realizzare tutte le geometrie e i materiali in modo illimitato“.
Keßling e Erhardt indicano un’ulteriore carenza, che rende ancora più difficile la svolta della produzione generativa: l’idea dell’utilizzatore di avere a portata di mano un processo sostitutivo con tempi più rapidi e condizioni economiche più convenienti rispetto a un processo tradizionale come stampaggio a iniezione o fusione metallica, con fresatura conclusiva. „La produzione generativa non sostituisce processi consolidati“, chiarisce Schumacher. „Anche in futuro, verrà utilizzata solo per nicchie, da una parte, per pezzi singoli o piccole serie, dall’altra, nel caso di componenti con geometrie o strutture complesse, che non possono essere prodotti in modo convenzionale. Tuttavia mancano esperienza e immaginazione“. Di fondo, è necessario riscrivere i libri, in modo che sempre più ingegneri possano imparare ad apprezzare possibilità e limiti della produzione generativa.
„Come per un pezzo stampato è necessario considerare la giusta collocazione dei punti di spruzzatura, anche nella produzione additiva occorre fare attenzione a particolarità di processo. Idealmente, già in fase di progettazione bisognerebbe pensare a come costruire il componente in una fase successiva, da dati CAD 3D possibilmente senza struttura di supporto, dal basso verso l’alto“, conferma l’esperto di Arburg Keßling. Inoltre, sono necessari nuovi strumenti di simulazione, afferma Schumacher. Tra numerosi sistemi CAD esistenti, si possono esportare i file STL necessari per le stampanti 3D, ma per la modellazione di questi file, pochi sono attualmente preparati.
Utilizzatori come Alphaform desiderano tuttavia soprattutto due migliorie: „Le macchine devono diventare più veloci e i materiali meno costosi se vogliamo offrire la stampa 3D nella produzione in serie“, afferma Erhardt. Le possibilità sono ottime: secondo Roland Berger nei prossimi quattro anni avrà luogo una quadruplicazione della velocità di stampanti 3D di lavorazione metalli, a 40 cm3/ora. Il fabbricante di macchine Concept Laser utilizzerà ad esempio laser a 1000 watt invece che a 400 watt. Oppure diverse fonti laser.
Anche i prezzi dei materiali scenderanno continuamente, secondo le previsioni di Roland Berger, fino al 50% entro il 2018. Secondo Wohlers Associates ciò è essenzialmente riconducibile a due fattori: da una parte, la concorrenza si farà maggiore, con lo scadere di molti brevetti, dall’altra le stampanti 3D, che utilizzano granulati standard, sono ai blocchi di partenza. I granulati costano tipicamente 1,40 – 2,80 euro, mentre per polvere di plastica specifica per stampanti 3D si spendono tra i 70 e i 220 euro. Il Freeformer di Arburg diventerà, con l’introduzione nel mercato quest’anno, il primo apparecchio di questo genere a utilizzare materiali speciali. Un altro è in fase di sviluppo negli USA, presso Cincinnati Inc. e Oak Ridge National Lab.
Sabine Koll Corrispondente da Böblingen
Su una stampante 3D è necessario regolare 180 diversi parametri
Ulteriori informazioni Sullo studio „Additive Manufacturing“ di Roland Berger: www.rolandberger.de Sui fabbricanti di macchine 3D Systems, Arburg, Concept Laser ed EOS: www.3dsystems.com www.arburg.com www.concept-laser.de www.eos.info Sul prestatore di servizi di stampa 3D Alphaform: www.alphaform.de Sulla Fachhochschule Nordwestschweiz: www.fhnw.ch/hls

Parole chiave
  • Stampa 3D
  • Prototipi
  • Produzione in serie
  • Riduzione dei prezzi dei materiali
  • Stampanti più rapide
  • Processi produttivi più stabili

  • Stampare in proprio o far stampare?
    Stampare in proprio o far stampare? È la domanda che attualmente si pongono molte aziende. Il fornitore di servizi di stampa 3D Alphaform ritiene che
    • anche in futuro la produzione in serie con stampante 3D sarà conveniente solo in casi particolari, pertanto rimarrà, fino a nuovo ordine, un’eccezione tra i metodi produttivi.
    • Spesso alla base della convenienza della stampa 3D vi sono i design speciali: il fornitore di servizi può essere coinvolto già nello sviluppo del prodotto, il che consente di realizzare un design idoneo al 3D.
    • Laddove i costi delle macchine sono elevati e i tempi di lavorazione sono di norma lunghi, oltre al fatto che anche la stabilità di processo di solito costituisce un problema, il prestatore di servizi di stampa 3D può sfruttare meglio le sue macchine, avvalersi di ingegneri e tecnici specializzati, nonché di macchine sostitutive.
    Tuttavia, in futuro molte aziende tenderanno a realizzare la produzione generativa all’interno delle loro strutture, procurandosi il know-how indispensabile anche tramite acquisizioni di aziende, come nel caso di GE Aviation: alla fine del 2012 l’azienda, specializzata nel settore aerospaziale, ha acquisito il prestatore di servizi Morris Technologies, per produrre da sé ugelli di spruzzatura per la sua nuova generazione di propulsori.

    Nuove prospettive
    I componenti prodotti in modo generativo convincono grazie alla vasta gamma di vantaggi che offrono:
    Complessità: colatura, fresatura, fucinatura etc. presentano talvolta importanti limitazioni per la forma dei pezzi. Con la stampa 3D è possibile produrre quasi tutte le forme.
    Personalizzazione: le stampe 3D vengono prodotte direttamente dal file, con dati provenienti ad esempio da scanner, fotocamere e CET, o dal sistema CAD dell’ingegnere in ricerca e sviluppo.
    Struttura leggera: dato che si può produrre qualsiasi forma, sono possibili anche strutture e cavità bioniche complesse. Ciò significa massima stabilità con peso minimo.
    Semplicità: ciò che in passato si componeva di numerosi elementi singoli, in futuro potrà essere creato in un unico pezzo, consentendo di risparmiare macchine, cicli di lavoro e controlli.
    Unsere Webinar-Empfehlung
Aktuelle Ausgabe
Titelbild medizin technik 1
Ausgabe
1.2024
LESEN
ABO
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Titelthema: PFAS

Medizintechnik ohne PFAS: Suche nach sinnvollem Ersatz

Alle Webinare & Webcasts

Webinare aller unserer Industrieseiten

Aktuelles Webinar

Multiphysik-Simulation

Medizintechnik: Multiphysik-Simulation

Whitepaper

Whitepaper aller unserer Industrieseiten


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de