La trasformazione digitale della manifattura oggi sta compiendosi anche attraverso nuovi paradigmi tecnologici come l’additive manufacturing (AM) che, tra i numerosi benefici, permette di ridurre gli scarti di materiale rispetto ai tradizionali metodi di produzione, e anche di diminuire i consumi di energia, contribuendo a migliorare la sostenibilità dei processi.
Tuttavia, lo stesso processo di AM produce a sua volta scarti di lavorazione, che possono essere minimizzati tramite opportuni algoritmi di ottimizzazione, il cui sviluppo si fonda su modelli matematici.
Additive manufacturing, cos’è
Quando si parla di additive manufacturing, o manifattura additiva, ci si riferisce alla stampa 3D, ossia a un processo tramite il quale la fabbricazione dell’oggetto avviene partendo direttamente da un file digitale che rappresenta un modello 3D dell’oggetto sviluppato al computer tramite software di modellazione, o catturato mediante uno scanner 3D. Tale modello viene poi realizzato fisicamente dalla stampante 3D tramite la deposizione di strati successivi del materiale prescelto, in maniera molto precisa e guidata dal software, fino al completamento dell’oggetto.
Tramite la tecnica del 3D printing è possibile fabbricare oggetti caratterizzati da forme molto complesse, come, ad esempio, possono essere quelle delle protesi dentali od ortopediche.
Additive manufacturing: ridurre gli scarti come beneficio chiave
Oltre a comprimere le tempistiche di prototipazione, produzione, collaudo, e immissione dei prodotti sul mercato, grazie alla capacità di fabbricare l’oggetto attraverso un singolo processo di stampa, che non necessita di stampi o di attrezzature e utensili specifici, l’additive manufacturing consente di ridurre gli scarti di lavorazione che normalmente rappresentano uno spreco notevole per l’impresa, incidendo sui costi totali di produzione e smaltimento.
Realizzare gli oggetti strato dopo strato con la tecnica dell’additive manufacturing consente di ridurre i costi e gli sprechi di materiale fino al 90%[1].
[1] Fonti: U.S. Department of Energy – Energy Efficientcy & Renewable Energy; Journal of Manufacturing and Materials processing; CMCT – California’s Manufacturing Network;
Nelle metodologie e processi di lavorazione tradizionali, basati su tornitura e fresatura, il prodotto finale risulta più piccolo del blocco iniziale da cui è stato ricavato tramite progressiva asportazione di materiale. In aggiunta, il materiale rimosso, costituito da schegge o trucioli, non è facilmente riutilizzabile e va smaltito nei rifiuti o riprocessato per renderlo utilizzabile.
Scarti nell’additive manufacturing: una sfida continua
Pur consentendo maggior libertà, efficienza di progettazione e risparmi di materiale rispetto ai metodi di fabbricazione tradizionali, lo stesso processo di additive manufacturing è suscettibile di miglioramenti. Infatti, specie durante la stampa di geometrie complesse, è spesso richiesta la creazione di strutture di supporto aggiuntive, necessarie, ad esempio, per sostenere le parti sporgenti dell’oggetto e eventuali sottosquadra durante il processo di fabbricazione, ed evitare che si deformino o collassino sotto l’effetto della gravità.
Tali supporti possono anche servire a mitigare gli effetti prodotti dai gradienti termici, che si formano, ad esempio, quando si deve incanalare il flusso di calore prodotto dal fascio laser nella stampa di un oggetto metallico, in modo da accelerare il raffreddamento dell’oggetto stesso in corso di realizzazione, e al contempo ridurre gli inconvenienti derivanti dal restringimento del materiale dopo la solidificazione.
Come accennato, le strutture di supporto sono necessarie per fabbricare un oggetto con la tecnica AM, ma comportano diversi svantaggi: terminato il processo di stampa occorre rimuoverle, impiegando ulteriore tempo e lavoro. Inoltre, anche in questo caso, i supporti rimossi costituiscono materia prima sprecata, perché non riutilizzabile. Ancora, ogni volta che si aggiunge una struttura di supporto all’oggetto da realizzare, il tempo di stampa si allunga, e cresce anche l’energia necessaria, che dipende dalla quantità di supporti previsti e dal volume di materiale.
Algoritmi di ottimizzazione per ridurre scarti nell’AM
Per risolvere tali problemi, attraverso l’elaborazione di modelli matematici, è possibile mettere a punto, di volta in volta, specifici algoritmi di ottimizzazione della costruzione delle strutture di supporto. Da un lato è possibile ottimizzare i percorsi della testina della stampante sia per ridurre i tempi che per migliorare la qualità del processo di deposizione. Dall’altro si possono sviluppare modelli di ottimizzazione topologica. L’idea dietro la topology optimization è di andare oltre l’ottimizzazione di forma classica affrontando il problema della distribuzione del materiale, con l’obiettivo di minimizzare il materiale necessario garantendo il soddisfacimento delle caratteristiche meccaniche del pezzo. Questo tipo di algoritmi ben si presta sia al calcolo automatico della distribuzione ottimale di materiale all’interno del pezzo, che alla definizione di dove sono necessarie le strutture di supporto e di quale forma debbano avere per minimizzare gli scarti.
L’abilità di elaborare modelli matematici e algoritmi di ottimizzazione sempre più raffinati si riflette sulla capacità di ottenere stampe 3D di qualità più elevata, in grado di ridurre scarti di materiale, richiedere meno energia per la loro realizzazione e accrescere la sostenibilità del processo di fabbricazione.
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