Tema di copertina: Industria 4.0

Personalizzazione totale, strato per strato

Più sono difficili e meglio è. Le tecniche di stampa in 3D permettono, semplicemente premendo un pulsante, di realizzare strutture fino ad ora impossibili. Al contempo la personalizzazione viene elevata a un livello superiore. E i costi? Diventano un aspetto secondario, come dimostra lʼesempio della Alstom Inspection Robotics.

Daniel Meierhans

Nella caldaia a vapore di una centrale elettrica le condutture sono vicinissime lʼuna allʼaltra. Lo scanner che verifica le saldature appena effettuate deve accontentarsi di soli 12 millimetri.  «È una situazione tipica, cui siamo abituati», spiega Viktor Klein, responsabile vendite della Alstom Inspection Robotics. «Ogni incarico di verifica è unico nel suo genere. Lavoriamo tra le pale di una turbina a gas, nello stretto spazio tra lo statore fisso e il componente rotante di un generatore di corrente oppure sulle pareti esterne di grandi serbatoi. 

 

La joint venture di Alstom e dellʼETH di Zurigo sviluppa e realizza dal 2006 robot e apparecchi altamente specializzati che verificano in modo affidabile e soprattutto efficiente la presenza di eventuali danni su condutture, serbatoi, turbine e generatori allʼinterno di centrali elettriche o nel trasporto di petrolio e gas. Con lʼelevato grado di specializzazione e le piccole quantità lʼazienda, in rapida crescita, ha la struttura tipica di molte imprese industriali svizzere, per le quali sono decisive tecnologie che consentano soluzioni per quanto possibile tagliate su misura.

La differenza che non si vede

Il componente essenziale, grazie al quale i sensori del cosiddetto «Circular Palm Scanner» si inseriscono perfettamente tra le tubazioni estremamente ravvicinate, è una molletta in acciaio che, a un primo sguardo, non sembra nulla di eccezionale. Essa permette invece di fissare lʼunità di misurazione e i sensori di posizione al tubo in modo tale che sia possibile tastare la saldatura riproducendola. Lʼunica cosa che balza allʼocchio della molletta è la superficie, che appare leggermente ruvida.

«È tipica dei componenti in metallo stampati», questa la sorprendente spiegazione di Stanko Bajunovic, che dirige la produzione degli scanner e dei robot presso il Technopark di Zurigo. La Alstom Inspection Robotics è così tra le prime aziende svizzere che producono con procedimenti additivi non solo parti in plastica, ma anche componenti critici in metallo. In questo procedimento è un laser o un fascio di elettroni a fondere strato per strato la forma da una fine polvere di metallo. Tale struttura stratificata risulta visibile sulla superficie.

 

Qualsiasi geometria è possibile

I tre grandi vantaggi della stampa: prima di tutto è possibile produrre singoli pezzi e piccole serie con una rapidità senza concorrenti, perché non è necessario fabbricare gli stampi. In secondo luogo, vengono meno tutte le limitazioni delle tecniche di fusione e fresatura tradizionali per quanto concerne la geometria dei componenti. È infatti possibile produrre in un solo pezzo anche strutture a pareti estremamente sottili, tagli sottosquadra e cavità. Terzo, il design può essere costantemente adattato ai nuovi requisiti, senza che per questo debbano aumentare i costi di produzione. In tal modo la personalizzazione non è più limitata a singoli parametri.

 

1/7 La stampa in 3D consente di produrre partendo direttamente dai dati di costruzione. In tal modo, per singoli pezzi e piccole serie, si risparmiano molto tempo e anche molti soldi. Viene meno infatti la necessità di fabbricare costosi stampi per la fusione.

2/7 Con il telaio stampato, il sistema di sensori del Palm scanner può essere applicato in modo estremamente piatto sulla conduttura di una caldaia a vapore. Per altri diametri della conduttura è inoltre possibile costruire e stampare con semplicità una nuova molletta. In tal modo lʼaumento dei costi di produzione è irrilevante.

3/7 I robot e gli scanner per le verifiche della Alstom Inspection Robotics vengono montati singolarmente presso il Technopark di Zurigo e vengono revisionati dopo lʼimpiego. «Se non fosse complicato, non produrremmo i nostri robot in Svizzera», spiega il responsabile della produzione Stanko Bajunovic.

4/7 Lo sviluppo e la fabbricazione dei robot addetti alle verifiche richiede sia una lavoro di engineering che la massima competenza tecnica in fase di produzione. A fare la differenza sono i minimi dettagli e le modifiche personalizzate devono essere implementate con la massima precisione.

5/7 Prima dellʼuso i sistemi vengono testati a fondo. Qui si vede la calibrazione dei sensori di una fotocamera. Essa fa parte di un robot ultrapiatto che, mediante una tecnica di percussione, individua danni al materiale nella stretta intercapedine tra lo statore e la componente rotante di un generatore.

6/7 Nel laboratorio dellʼazienda gli ingegneri testano nuove funzionalità e design. Con lʼausilio di modelli di caldaie, sistemi di tubazioni o componenti di turbine e generatori, in parte anche stampati, vengono ottimizzati la mobilità e il comportamento in fase di misurazione.

7/7 Affinché i sistemi mostrino sul campo un funzionamento robusto e affidabile, è necessaria la massima precisione. Qui le schede elettroniche appositamente sviluppate vengono sottoposte a un controllo di qualità prima del montaggio su un robot.

1/7 La stampa in 3D consente di produrre partendo direttamente dai dati di costruzione. In tal modo, per singoli pezzi e piccole serie, si risparmiano molto tempo e anche molti soldi. Viene meno infatti la necessità di fabbricare costosi stampi per la fusione.

Dato che con i processi additivi è possibile fabbricare prodotti su misura direttamente dai dati di costruzione e semplicemente premendo un pulsante, essi fanno parte, insieme alla Internet of Things, delle tecnologie chiave per la completa digitalizzazione dellʼindustria. Alla fine dello sviluppo della cosiddetta industria 4.0 si arriverà, quasi a suo coronamento, alla produzione di massa in lotti da un singolo pezzo. Ogni cliente otterrà infatti una versione personalizzata del prodotto che verrà stampato per lui su singolo ordine. Certo, per ora è ancora fantascienza, ma per singoli componenti la stampante conviene già.

 

Produttività entro pochi giorni

«Fusione e fresatura per noi sarebbero più costose», spiega Bajunovic. La molletta ha pareti spesse solo un millimetro ed è fatta da diversi componenti. La fresatura di parti così sottili non riuscirebbe sicuramente al primo tentativo. A ciò si aggiunge il fatto che i costruttori, con i processi additivi, devono prendere in considerazione un numero di condizioni al contorno nettamente inferiore e possono quindi concentrarsi pienamente sul design ottimale. Tuttavia, lʼaspetto decisivo secondo Bajunovic è la velocità: «Noi sviluppiamo costantemente i nostri prodotti insieme ai nostri clienti. Grazie alla stampa possiamo utilizzare in modo produttivo componenti nuovi o adattati entro pochi giorni».

 

Il risultato sono robot e scanner tagliati su misura per ogni singolo incarico di verifica, il che permette alla fine di risparmiare molti soldi. «Ogni giorno in cui una centrale resta ferma corrisponde a una perdita di produzione pari a circa 1 milione di dollari», calcola Klein. «I nostri apparecchi riducono i tempi di ispezione del 50% e oltre.» Prima, per verificare i lavori di saldatura sulle condutture delle caldaie, veniva effettuata una radiografia di ogni saldatura. Ciò richiedeva la chiusura di tutta lʼarea a causa delle radiazioni e il risultato era disponibile solo il giorno successivo, dopo lo sviluppo delle pellicole. «Grazie alla sua elevata riproducibilità, il Circular Palm Scanner raggiunge la stessa precisione con misurazioni a ultrasuoni che possiamo eseguire direttamente dietro il saldatore», spiega Klein.

 

Dagli obiettivi fotografici alla pasta

Per Matthias Baldinger, cofondatore di Additively.com, la Alstom Inspection Robotics è un esempio significativo di come i produttori svizzeri possono sfruttare i processi additivi per differenziarsi meglio. Con la sua piattaforma basata su Internet Baldinger crea un ponte tra le imprese industriali e il crescente numero di fornitori di servizi di stampa in 3D: «Ogni plastica e ogni metallo necessitano di una macchina specializzata. Lʼacquisto quindi conviene solo a pochissimi. Noi aiutiamo le aziende a trovare il fornitore adatto per ogni esigenza». Attualmente Additively.com conta già più di 300 fornitori registrati, cui ogni settimana se ne aggiungono altri.

 

A un ritmo altrettanto rapido cresce anche la domanda, come sottolinea Baldinger: «Tre anni fa dovevamo ancora spiegare nei dettagli ai responsabili che cosa sono i processi additivi. Oggi invece in genere si passa rapidamente a discutere di progetti concreti». Le attività si spostano sempre più verso i prodotti personalizzati per i clienti. Alpa ad esempio, produttore di macchine fotografiche del segmento high-end, ha già iniziato a stampare obiettivi che si adattano perfettamente alla geometria della lente del singolo apparecchio fotografico. Tecan invece, che produce apparecchi da laboratorio, stampa blocchi di lavaggio per sistemi di pipette adattati ai singoli tipi di analisi, mentre le aziende di tecnica medicale stampano impianti specifici per il singolo paziente. 

Anche i gruppi industriali tradizionali come Bühler si confrontano intensamente con le nuove possibilità esistenti. Lʼazienda, che fabbrica tecnologie per la produzione di alimenti, sta pensando non solo a componenti per i propri impianti, ma anche alle possibilità che può offrire ai propri clienti, per mettere ad esempio i produttori di pasta in grado di stampare forme di pasta personalizzate.

 

Al confine con la produzione di massa

Baldinger è anche convinto del fatto che lo spettro di applicazioni in futuro si amplierà notevolmente. «Le tecnologie si sviluppano rapidamente, facendo calare i prezzi.» Lo studio di consulenza Roland Berger Strategy Consultants calcola che i costi unitari nei prossimi anni si ridurranno a un terzo. Tale andamento sarà influenzato tra lʼaltro dallʼingresso sul mercato dei grandi produttori di macchine utensili tedeschi Trumpf, Aarburg e DMG Mori. Anche HP, specializzata nel settore delle stampanti e dei PC, ha annunciato per il 2016 una tecnologia completamente nuova che dovrebbe essere diverse volte più veloce ed efficiente. 

«La stampa in 3D non modifica però solo i prodotti, ma anche la Supply Chain»

Una parte rilevante nellʼulteriore sviluppo della tecnologia lʼavrà sicuramente anche la GE Aviation, azienda produttrice di motori aeronautici. Gli americani stanno infatti cercando di rendere la stampa in 3D adatta alla produzione di massa attraverso una fabbrica di iniettori per motori, la quale già questʼanno dovrebbe produrre 4ʼ000 iniettori con processi additivi. Nel giro di cinque anni è previsto un aumento della produzione a 100ʼ000 pezzi. Come nel caso della Alstom Inspection Robotics, i vantaggi compensano ampiamente gli elevati costi di investimento. Lʼiniettore stampato è di un terzo più leggero e risparmia quindi carburante nellʼutilizzo in volo. A ciò si aggiunge il fatto che la geometria ottimizzata degli iniettori, in un pezzo unico anziché composti da 20 singoli pezzi, migliora notevolmente anche la capacità di iniezione.

 

Lʼengineering prende il comando

«La stampa in 3D non modifica però solo i prodotti, ma anche la Supply Chain», sottolinea Baldinger. «La fabbricazione e gli acquisti saranno più strettamente legati allʼengineering e i clienti verranno maggiormente coinvolti nello sviluppo della produzione.» Tale rivalutazione dellʼengineering viene incontro alle qualità dei produttori svizzeri, tanto più che, a seguito delle nuove possibilità, la focalizzazione si sposta dai costi verso il valore aggiunto, come dimostra significativamente lʼesempio della Alstom Inspection Robotics. I processi additivi sono quindi una risposta a una delle principali sfide per la Svizzera in quanto sede produttiva. Per dirlo in breve con le parole di Bajunovic: «Se non fosse complicato, non produrremmo i nostri robot in Svizzera». 

 

Dalla modellistica alla produzione additiva

La stampa in 3D viene utilizzata già da tempo nellʼindustria per la produzione rapida di modelli e prototipi funzionali. Con questo processo, il modello digitale creato con programmi CAD viene realizzato direttamente, strato per strato, tramite una stampante plastica in 3D. Ora i cosiddetti processi di produzione additivi hanno portato questo Rapid Prototyping al livello qualitativo necessario per la produzione per quanto concerne tolleranze, omogeneità e resistenza.

In base al tipo di materiale utilizzato, si utilizzano diverse tecniche di stampa. La gamma più vasta riguarda le materie plastiche, le quali possono essere stampate tramite diversi procedimenti di polimerizzazione, incollaggio e fusione. La ceramica invece può essere incollata o sinterizzata al laser. Analogamente, anche le parti in metallo vengono costruite tramite fusione selettiva, mediante laser o fascio di elettroni, di un sottile strato di polvere di metallo. La precisione della stampa con lʼutilizzo del metallo attualmente è di ca. 0,02 millimetri, mentre le dimensioni massime dei componenti stampati corrispondono a quelle di un cubo con un lato di 60 centimetri. La densità del 99,9% e le caratteristiche di lavorazione sono analoghe a quelle dei pezzi saldati.

Nei processi additivi il fattore di costo maggiore è rappresentato dal tempo necessario per la stampa. Per questo ogni velocizzazione della tecnologia avrà un impatto diretto sul prezzo. Il vantaggio maggiore consiste nella libertà nettamente superiore per quanto concerne le geometrie. La nuova tecnologia permette ad esempio di costruire una fibbia per cinture di sicurezza in titanio con un peso inferiore del 55%. Su un Airbus 380 ciò significa una riduzione del peso complessivo pari a 72,5 chilogrammi il che, considerando lʼintero periodo di vita del veicolo, corrisponde a un risparmio di carburante di circa 2 milioni di franchi.

Know-how dellʼETH per lʼindustria

Le aziende che cercano supporto nel campo dei processi di produzione additivi, lo trovano da Inspire. Lʼofferta dellʼunità di ricerca e trasferimento dellʼETH di Zurigo va dallʼengineering alla produzione, fino ad arrivare alle partnership nel settore ricerca e sviluppo.

Institute for Rapid Product Development

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La digitalizzazione nella pratica

Trovare il partner giusto per la stampa

Non importa se si tratta di costruire prototipi o parti da utilizzare produttivamente, tramite Additively, uno spin-off dellʼETH, le aziende ottengono accesso a tutti i processi di produzione additivi e oltre 300 fornitori che operano in Svizzera.

Accesso a oltre 300 stampanti in 3D

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