Oggi è in corso una terza rivoluzione che sta portando alla digitalizzazione dei metodi produttivi. Grazie alla fabbricazione additiva, un prodotto può essere progettato su un computer e dopo pochissimo tempo essere realizzato con l’impiego di un processo tecnologico che crea un oggetto solido attraverso la sovrapposizione di diversi strati di materiale uno sull’altro. Il processo può essere portato avanti in maniera del tutto automatica, senza che vi sia un operatore a tenere sotto controllo la macchina, e la nuova tecnologia di produzione consente di creare prodotti anche molto elaborati che non potrebbero essere costruiti con i tradizionali sistemi di produzione.

1. FABBRICAZIONE ADDITIVA
STATO DELL’ARTE

2. 2
1 Executive summary
1 Fabbricazione additiva
1 Market outlook
1 Casi di studio
1 Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva
1 Riferimenti e fonti
Indice

3. 3
Executive summary
La copertina del settimanale Economist (21 aprile 2012) è dominata dall’immagine di un uomo seduto ad
una scrivania ed intento a lavorare con tastiera e mouse, che non sono però collegati a un computer, ma
ad un intero stabilimento industriale in miniatura dal quale escono automobili, aeroplani ed utensili. Il
disegno illustra efficacemente come si stia realizzando in questi anni la terza rivoluzione industriale,
almeno secondo gli autori della rivista britannica, che dedicano la loro storia di apertura al cambiamento
nel modo di progettare e soprattutto produrre le cose che ci stanno intorno grazie al digitale.
La prima rivoluzione industriale, spiega l’articolo di
apertura dell’Economist, iniziò nel tardo diciottesimo
secolo, quando nacque la nuova industria tessile con
gli stabilimenti meccanizzati. La seconda rivoluzione
industriale arrivò più di un secolo dopo, all’inizio del
Novecento, quando Henry Ford perfezionò la catena
di montaggio per le sue automobili, aprendo le porte
alla produzione di massa. Le due rivoluzioni
cambiarono radicalmente la vita di centinaia di
milioni di persone in poco tempo, favorendo
l’urbanizzazione e condizioni di vita migliori.
Oggi è in corso una terza rivoluzione che sta portando alla digitalizzazione dei metodi produttivi.

4. 4
Executive summary
Il cambiamento è favorito dal progressivo emergere e dalla convergenza di molte tecnologie, a partire da
software più pratici, nuovi materiali, robot con maggior abilità, nuovi processi produttivi, come la
fabbricazione additiva ed una grande quantità di nuovi servizi sempre disponibili grazie a Internet.
Mentre la fabbrica del passato prevedeva la produzione di un’enorme quantità di prodotti in serie, tutti
uguali tra loro, le nuove tecnologie stanno rendendo sempre più semplice ed economicamente
vantaggiosa la produzione di manufatti personalizzati a seconda delle richieste dei singoli acquirenti.
Nel passato i prodotti erano realizzati mettendo insieme un elevato numero di parti attraverso unioni
smontabili e/o non smontabili. Oggi, grazie alla fabbricazione additiva, un prodotto può essere progettato
su un computer e dopo pochissimo tempo essere realizzato con l’impiego di un processo tecnologico
che crea un oggetto solido attraverso la sovrapposizione di diversi strati di materiale uno sull’altro. Il
processo può essere portato avanti in maniera del tutto automatica, senza che vi sia un operatore a
tenere sotto controllo la macchina, e la nuova tecnologia di produzione consente di creare prodotti
anche molto elaborati che non potrebbero essere costruiti con i tradizionali sistemi di produzione.
A sostegno delle scelte del Management che stia valutando la possibilità di inserire all’interno della
propria Azienda il processo tecnologico noto come fabbricazione additiva, si fornisce un’ampia
descrizione del nuovo processo di produzione, un inquadramento del mercato di riferimento, alcuni
esempi di attrezzature disponibili sul mercato e di applicazioni, ed un caso di studio nel quale si mettono
a confronto, in termini di efficienza economica, due tecnologie standard e la fabbricazione additiva.

5. FABBRICAZIONE ADDITIVA

6. 6
La «fabbricazione additiva» (additive manufacturing), anche chiamata stampa
3D*, è una tecnologia innovativa che rende possibile la produzione di oggetti
caratterizzati da una geometria comunque complessa, direttamente dal modello
matematico dell’oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.
Inquadramento
*La stampa 3D rappresenta, tecnicamente, un
sottoinsieme della fabbricazione additiva. Altri termini
utilizzati come sinonimi, ancorché non corretti, sono
prototipazione rapida e produzione digitale diretta.
La fabbricazione additiva è stata
concepita nella seconda metà degli anni
‘80 per ridurre i tempi di realizzazione dei
prototipi e per molti anni ha assunto il
nome di «prototipazione rapida»

7. 7
Evoluzione: dalla prototipazione rapida alla fabbricazione additiva [4]
Rapid Prototyping
Prototipi concettuali,
funzionali e tecnici.
Rapid Tooling
Rapid Casting
Rapid Manufacturing
Applicazioni per stampi e
attrezzature di fusione,
produzione di pre-serie.
Fabbricazione additiva
Prodotti finali
1980 20001990 2010 oggi

8. 8
Complessità senza incremento di costo
PRODUZIONE ADDITIVA
complessità
costo
TECNICHE CONVENZIONALI
La produzione additiva consente di ottenere un
incremento di complessità senza costi aggiuntivi.
Il punto chiave è rappresentato dall’eliminazione
dalla principale rigidità presente nelle attuali
produzioni dei beni di largo consumo: gli stampi.
I vantaggi ottenibili dalla produzione additiva possono
essere conseguiti solo se il prodotto è progettato tenendo
conto che sarà realizzato con la produzione additiva e
non con le tecnologie standard.

9. 9
Classificazione delle tecniche di fabbricazione additiva
Fabbricazione additiva
Polvere
1 componente
Selective Laser Sintering
Selective Electron Beam Sintering
1 componente
+
legante
3 dimensional printing
Liquido
Stampa a getto Multi Jet Modelling
Fotopolimerizzazione
Lampada U.V. Polyjet
Laser Stereolitografia
Solido
Incollaggio Laminated Object Manufacturing
Estrusione Fused Deposition Modelling

10. 10
Progettazione per la fabbricazione additiva
I principi della progettazione per la fabbricazione additiva (Design For Additive
Manufacturing, DFAM) e le modifiche rispetto ai processi di produzione
tradizionali sono già stati delineati da diversi ricercatori [1].
Gibson et al. [2] hanno definito lo scopo del DFAM come “la massimizzazione
delle prestazioni del prodotto attraverso un’ottimizzazione topologica delle
forme, dimensioni, strutture gerarchiche e composizione del materiale al fine di
sfruttare al meglio il potenziale delle tecnologie additive”.
Per perseguire tali obiettivi i progettisti devono considerare che:
ü la FA consente di avere sottosquadri, spessore di parete variabile e canali
profondi e di geometria complessa.
ü Attraverso la FA è possibile produrre componenti con complessità geometrica
illimitata, che ammette forme contorte e svergolate, fori ciechi e filettature/viti
con un elevato rapporto resistenza/peso.
ü La FA consente la riduzione del numero di parti: è possibile produrre
direttamente un assemblato come unico componente integrando giunti e
cerniere.

11. 11
Selective Laser Sintering: tecnologia
Rappresenta la tecnologia attualmente dominante nell’ambito della fabbricazione
additiva per l’elevata accuratezza dimensionale e la buona finitura superficiale
delle parti prodotte.

12. 12
Selective Laser Sintering: parametri di produzione
1 La direzione z è quella lungo la quale «cresce» il modello prodotto con la fabbricazione additiva
2 La sinterizzazione produce una ZTA: il rapido raffreddamento successivo alla sinterizzazione produce una micro-struttura eterogenea
Progettazione
Materiale
Layout
Processo
Post
processing
PARAMETRI DI PRODUZIONE (alcuni esempi)
POTENZIALI CRITICITA’
• Auto-tensioni/deformazioni
• Dissipazione termica
• Anisotropia in direzione z1
• Effetto scalino
• Contrazione di volume
• Micro-fusioni/Micro-struttura eterogenea2
• Potenza del laser
• Velocità di scansione
• Dimensione del fascio
• Atmosfera di lavoro
• Spessore dello strato
• Distribuzione granulometrica
• Forma dei grani
• Miscela
• Trattamenti termici
• Pallinatura
• Lucidatura
• Orientazione
• Prossimità
• Dimensioni
• Geometria

13. 13
Selective Laser Sintering: prestazioni
Velocità di produzione 5 ÷ 20 cm3/h
Accuratezza ± 0.02 ÷ 0.05 mm (l rif = 25 mm)
Dimensione minima realizzabile 0.04 ÷ 0.2 mm
Qualità delle superfici* Ra = 4 ÷ 10 μm
Dimensioni massime realizzabili 500 mm x 280 mm x 325 mm
Costo medio delle attrezzature 450,000 € ÷ 600,000 €
Numero di sistemi installati nel mondo ~ 990
*Una superficie finita d’utensile ha una Ra = 3.2 (superficie grezza Ra=12.5)
Fonte: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry. Wohlers Associates (2012)
Il materiale ottenuto dalla sinterizzazione di una miscela di polveri possiede
caratteristiche fisiche e meccaniche esprimibili attraverso una percentuale, più o
meno elevata in funzione della messa a punto del processo, delle corrispondenti
caratteristiche del materiale di riferimento.

14. 14
Selective Laser Sintering: prestazioni [23]
Materiale X2 CrNiMo 17-13-2
AISI 316L
Forma dei grani sferoidale
Dimensione dei grani 22 μm
Attrezzatura Realizer-250
Potenza del laser 100 W
Atmosfera di lavoro Argon (P = 40 mbar)
Strategia di scansione Bi-direzionale (x/y)
Spessore dello strato
(se non diversamente indicato)
75 μm Porosità relativa Vs. Potenza del laser

15. 15
Selective Laser Sintering: prestazioni [23]
«d» indica lo spessore dello strato
Caratteristiche meccaniche
Vs.
Spessore dello strato
Orientazione

16. 16
Selective Laser Sintering: vantaggi Vs. svantaggi
VANTAGGI SVANTAGGI
Piena libertà di progettazione Bassa capacità produttiva
Complessità senza aggravio di costo Elevati costi di produzione
Potenzialmente tooling free Elevato effort per il set-up
Ottimizzazione topologica ® Progettazione leggera Variabilità delle caratteristiche
Consolidamento delle parti ® Progettazione snella Processo di produzione discontinuo
Riduzione della complessità nella produzione Dimensioni limitate

17. MARKET OUTLOOK

18. 18
Market outlook: value chain
Material System Software
• Polvere metallica
• Purezza della polvere
• Stabilità dimensionale della polvere (30μm)
• Difficile da reperire presso grossi fornitori a
causa delle dimensioni ridotte degli ordini
• Generalmente venduta dai fornitori dei
sistemi
• Macchina stand alone
• La macchina è assemblata dal produttore
• Il produttore si configura come sistemista:
integra i componenti prodotti esternamente
ed ottimizza la configurazione finale
• Differenza tra software per il controllo di
processo ed applicativi
• Il software per il controllo di processo è
fornito dal produttore del sistema
• Gli applicativi dedicati al miglioramento,
come la generazione automatica del modello
e/o l’ottimizzazione del modello, sono forniti
da software house specializzate.
Application design Production
• Supporto al cliente finale
• Complesso
• È fornito direttamente dal produttore della
macchina, eventualmente in collaborazione
con gli sviluppatori di software
• La competenza specifica non è ancora molto
diffusa in ambito software house
• Scenari di riferimento
ü Il cliente finale produce on site
ü Il cliente finale stipula un contratto di
fornitura con un service provider
ü Il cliente finale commissione la produzione
di un numero limitato di parti ad un
service provider
• Il produttore della macchina non è
generalmente il service provider

19. 19
Market outlook: key players
Material System Software
• Hoganas [8]
• TLS Technik [9]
• Sandvik [10]
• …
• EOS [6, 7]
• SLM Solutions [11]
• Concept Laser [12]
• Renishaw [13]
• Arcam [14]
• Materialise [15]
• Netfabb [16]
• Within [17]
• …
Application design Production
• 3T PRD [18]
• Material Solutions [19]
• EOS [20]
• …
• 3T RPD [18]
• Bego [21]
• LayerWise [22]
• …

20. 20
Market outlook: manufacturers overview
• A livello mondiale nel corso del
2012 sono stati venduti 190
sistemi per la produzione
additiva.
• Il mercato dei produttori di
sistemi per la fabbricazione
additiva è dominato dalla
Germania che ne detiene il 69%.
Fonte: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry. Wohlers Associates (2012).

21. 21
Market outlook: service providers overview
• A livello mondiale esistono più di
90 aziende che forniscono un
servizio di produzione basato
sulla fabbricazione additiva.
• La maggior parte delle aziende
ha dimensioni ridotte (numero di
dipendenti <100).
• Esiste un numero limitato di
aziende (~10%) capaci di operare
in ambiti complessi come quello
dei componenti per il settore
aeronautico/aerospaziale.
Fonte: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry. Wohlers Associates (2012).

22. 22
CASI DI STUDIO

23. 23
EOS – Particolare di una camera di combustione [5]
IN 625
IN 718

24. 24
EOS – Iniettore [5]

25. 25
EOS – Girante di una turbina (1/2) [5]

26. 26
EOS – Girante di una turbina (2/2) [5]
IN 718

27. 27
EOS – Ottimizzazione topologica di un elemento strutturale [5]
Confronto fra la configurazione convenzionale di
un elemento strutturale prodotto con tecnologia
standard e la configurazione ottimizzata dello
stesso elemento strutturale prodotto con
tecnologia Direct Metal Laser Sintering.

28. 28
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Il braccetto del Piaggio P180
1) SUPPORTO PRINCIPALE
2) CERNIERA
3) BRACCETTO
4) AMMORTIZZATORE
5) ATTUATORE

29. 29
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Il braccetto del Piaggio P180 - Riprogettazione
La geometria dei componenti è stata ottimizzata per topologia e forma: il componente
riprogettato è stato verificato staticamente (carico verticale sul mozzo 1000 N) ed i
risultati numerici confermano che le tensioni sono uniformemente distribuite.

30. 30
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Analisi dei costi – Ipotesi e limitazioni
Si suppone che l’intera piattaforma di costruzione del sinterizzato sia usata per produrre
copie dello stesso pezzo, perciò il costo di produzione è una costante. Se si considera la
variazione dei costi relativa ad una specifica tecnologia, devono essere presi in
considerazione solo quei fattori che influenzano direttamente il costo del pezzo.
Fattori Pressofusione Fresatura DMLS
Grezzo di partenza lingotto spezzone polvere
Attrezzature specifiche stampi bloccaggi/utensili nessuna
Fabbricazione:
• riprogettazione nessuna limitata completa
• macchina pressa CNC 5 assi sistema SLM
• preparazione fusione della lega programmazione CAM creazione del job
• post-trattamento
• smaterozzatura
• lavorazioni meccaniche
pulizia
• trattamento termico
• rimozione delle parti
• rimozione dei supporti
• finitura

31. 31
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Analisi dei costi – Pressofusione
Dimensione del lotto [pezzi] N
Costo del materiale [€/kg] 16
Peso del grezzo [kg] 0.162
Costo del materiale [€] 2.59
Costo dei componenti standard [€] 2500
Costo delle figure e dei carrelli [€] 16000
Costi ausiliari [€] 3900
Costo dell’attrezzatura [€] 22400/N
Costo orario della pressa [€/h] 260
Costo orario dell’operatore [€/h] 35
Percentuale di tempo dell’operatore - 10%
Tempo ciclo [h] 0.001
Costo della lavorazione (pressofusione) [€] 0.26
Costo del trattamento termico [€] 1.42
Costo finitura [€] 13.98
Costo orario dell’operatore [€/h] 25
Tempo dell’operatore [h] 0.1
Costo delle lavorazioni accessorie [€] 17.9
COSTO TOTALE [€] 22400/N + 20.75
2.6 2.6 2.6
5600.0
2800.0
1866.7
0.3
0.3
0.3
17.9
17.9
17.9
€ 0
€ 400
€ 800
€ 1,200
€ 1,600
€ 2,000
€ 2,400
€ 2,800
€ 3,200
€ 3,600
€ 4,000
€ 4,400
€ 4,800
€ 5,200
€ 5,600
€ 6,000
N=4 N=8 N=12
5620.8
€/pezzo
2820.8
€/pezzo
1887.5
€/pezzo

32. 32
27.5 27.5 27.5
845.0 812.5 801.7
490.0
490.0 490.0
€ 0
€ 400
€ 800
€ 1,200
€ 1,600
N=4 N=8 N=12
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Analisi dei costi – Fresatura a 5 assi
Dimensione del lotto [pezzi] N
Costo del materiale [€/kg] 16
Peso del grezzo [kg] 1.72
Costo del materiale [€] 27.52
Costo della fresa Ø10 mm [€/pezzo] 55
Costo della fresa Ø6 mm [€/pezzo] 40
Numero di frese Ø10 mm [pezzi] 6
Numero di frese Ø6 mm [pezzi] 4
Costo dell’attrezzatura [€] 490
Costo programmazione CAM [€] 200/N
Costo orario della macchina [€/h] 60
Tempo di attrezzaggio [h] 1/N
Tempo di taglio [h] 10
Tempo improduttivo [h] 3
Costo della lavorazione (fresatura) [€] 260/N + 780
COSTO TOTALE [€] 260/N + 1297.5
1362.5
€/pezzo
1330.0
€/pezzo
1319.2
€/pezzo

33. 33
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Analisi dei costi – Fabbricazione additiva (DMLS)
Dimensione del lotto [pezzi] N
Costo della riprogettazione [€] 1800/N
Costo del materiale [€/kg] 145
Peso della parte (supporti compresi) [kg] 0.178
Costo del materiale [€] 25.81
Costo orario della macchina [€/h] 35
Tempo di costruzione [h] 54
Costo di produzione del job [€/job] 1890
Costo orario dell’operatore [€/h] 25
Tempo di preparazione del job [h/job] 1.2
Numero di pezzi per job [pezzi/job] 4
Costo della lavorazione (SLM) [€] 480
Costo orario dell’operatore [€/h] 20
Tempo di post-trattamento [h/job] 3
Costo del post-trattamento [€/job] 60
Costo del trattamento termico [€/job] 20
Costo delle lavorazioni accessorie [€] 20
COSTO TOTALE [€] 1800/N + 525.8
450.0
225.0
150.0
25.8
25.8
25.8
480.0
480.0
480.0
20.0
20.0
20.0
€ 0
€ 400
€ 800
€ 1,200
N=4 N=8 N=12
975.8
€/pezzo
750.8
€/pezzo
675.8
€/pezzo

34. 34
Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]
Analisi dei costi – Analisi comparata
0.0
1,000.0
2,000.0
3,000.0
4,000.0
5,000.0
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100
€/pezzo
Dimensione del lotto (N)
Pressofusione Fresatura 5 assi Produzione additiva (DMLS)
2
40

35. 35
Riferimenti e fonti (1/2)
[1] Hague, R.J., Campbell, R.I. and Dickens, P.M., (2003). Implications on design of rapid manufacturing.
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science,
217(C1), 25-30.
[2] Gibson, I., Rosen, D. W. and Stucker, B., (2010). Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to
Direct Digital Manufacturing. New York: Springer
[3] Scott, J., Gupta, N., Weber, C., Newsome, S., Wohlers, T., Caffrey, T., (2012). Additive Manufacturing: Status and
Opportunities. Science and Technology Policy Institute, The Institute for Defense Analyses. Washington, DC, USA.
[4] E. Atzeni, A. Salmi. (2012). Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts. The International
Journal of Advanced Manufacturing Technology. (Online Article). DOI: 10.1007/s00170-011-3878-1
[5] http://www.eos.info/industries_markets/aerospace/engines
[6] http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eosint_m280
[7] http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eos_m_400
[8] http://www.hoganas.com/
[9] http://www.tls-technik.de/e_1.html

36. 36
Riferimenti e fonti (2/2)
[10] http://www.smt.sandvik.com/en/products/metal-powder/
[11] http://stage.slm-solutions.com/index.php?index_en
[12] http://www.concept-laser.de/en/home.html
[13] http://www.renishaw.com
[14] http://www.arcam.com/
[15] http://software.materialise.com/
[16] http://www.netfabb.com/
[17] http://www.within-lab.com/
[18] http://www.3trpd.co.uk/
[19] http://www.materialssolutions.co.uk/
[20] http://www.eos.info/systems_solutions/software
[21] http://www.bego.com/it/home/
[22] http://www.layerwise.com/
[23] H. Meier, Ch. Haberland. Experimental studies on selective laser melting of metallic parts. Mat.-wiss. u.
Werkstofftech. 2008, 39, No. 8.