Stampa 3D e ambiente: cosa cambia su scala industriale

Per parlare seriamente di sostenibilità della stampa 3D bisogna separare la stampa hobbistica dalla produzione industriale. In questo articolo vediamo perché il pellet batte il filamento, quanto materiale si risparmia eliminando gli stampi, cosa raccontano i rapporti buy-to-fly sui pezzi in metallo e come le microfactory robotiche portano l’advanced manufacturing vicino al punto di utilizzo, con tre domande ricorrenti su scarti, riciclo ed etica.

L’impatto ambientale della stampa 3D parte dal materiale

La stampa 3D è uno spreco di plastica? Sulla scrivania di un hobbista, spesso sì. Stampe fallite, supporti e gadget di cui nessuno aveva bisogno finiscono nel cestino, ed è questa l’immagine che hanno in mente quasi tutti i critici. La produzione industriale lavora su un’altra scala e con altre regole, a cominciare dalla forma in cui arriva il materiale.

Il filamento, usato dalle stampanti desktop e da molte macchine professionali, prima di essere caricato è già stato fuso, estruso, raffreddato e avvolto su una bobina. I sistemi di LFAM robotica (large format additive manufacturing) alimentano invece un estrusore a vite direttamente con granuli di termoplastico, quindi il materiale affronta un ciclo di fusione in meno. Alle velocità di deposizione industriali il filamento sarebbe poco praticabile: lo stampo aerospaziale da 180 kg descritto più avanti è stato stampato in 19 ore, quasi 10 kg l’ora, il che con bobine da 1 kg vorrebbe dire cambiarne una ogni sei minuti.

Con questi volumi conta anche il costo del materiale. Il filamento costa almeno cinque volte più del pellet polimerico, e i ricercatori dell’Université de Lorraine hanno stampato da pellet a meno di 1 €/kg, contro gli oltre 20 €/kg del filamento riciclato commerciale. Il pellet dà poi accesso a tutto il catalogo di compound dello stampaggio a iniezione, compresi i gradi riciclati e caricati con fibre. Per i pezzi di grandi dimensioni il materiale di partenza è probabilmente il fattore che pesa di più sull’impatto ambientale della stampa 3D, anche se raramente riceve l’attenzione che merita.

Gli scarti della stampa 3D si possono riciclare? Con il pellet, in gran parte sì, e più facilmente che con il filamento. Materiale di spurgo, pezzi scartati e trucioli di lavorazione vengono macinati di nuovo in granuli e rimandati direttamente all’estrusore, senza dover passare prima dalla produzione di filamento. A ogni ciclo le fibre si accorciano, per cui il compound riciclato finisce di solito in pezzi meno critici, ma ben poco deve davvero uscire dall’officina.

Cosa rende ecologica la stampa 3D di grande formato

Gran parte del risparmio della LFAM robotica viene da tutto ciò che non serve più produrre. Un pezzo grande realizzato in modo tradizionale richiede di solito un modello master, uno stampo, a volte un assieme di più parti, oppure un blocco pieno da lavorare fino alla forma finale. Stampare near-net shape elimina quasi tutti questi passaggi, e l’effetto si vede in tre punti:

• Libertà geometrica, perché il materiale va solo dove servono i carichi, con nervature, sezioni cave e pareti che cambiano spessore lungo il pezzo.
• Stampi eliminati. Su pezzi unici e piccole serie, lo stampo spesso pesa più di tutti i pezzi che produrrà.
• Meno post-lavorazione. Si lavorano solo le superfici funzionali, quindi ci sono meno trucioli da gestire.

La LFAM robotica parte inoltre direttamente dal file CAD, senza attrezzature in mezzo, e il robot segue un percorso utensile generato dal modello. Un designer a Milano, un ingegnere di processo in Texas e un cliente a Dubai possono lavorare sullo stesso modello digitale, simulare la stampa e correggere il percorso prima che venga depositato un solo cordone. Visto che a viaggiare è il file, il pezzo può poi essere stampato ovunque ci sia un sistema di LFAM robotica, senza che quelle persone debbano trovarsi nello stesso posto.

Buona parte del vantaggio la fa il robot stesso. Un braccio industriale a sei assi copre volumi di diversi metri senza bisogno di un enorme telaio macchina, e montato su binari arriva a un’area di lavoro di circa 10 m. Con il cambio utensile automatico, lo stesso braccio passa dalla stampa alla fresatura alla scansione 3D sullo stesso pezzo, ed è qui che l’additive diventa advanced manufacturing: un unico flusso automatizzato che consegna un componente finito e già controllato.

Case study: quanto materiale fa risparmiare la LFAM robotica

Le griglie aerodinamiche del Pershing GTX116 di Ferretti Group sono un buon esempio. Griglie di questo tipo si realizzano di solito laminando a mano la vetroresina su una serie di stampi. Ferretti le ha invece stampate sulla piattaforma robotica Heron AM di Caracol in ASA caricato vetro, aggiungendo dopo soltanto il gel coat. Il risultato è stato un lead time più corto del 50%, scarti ridotti del 60% e un peso inferiore del 15%.

Nel tooling aerospaziale, Formes et Volumes ha stampato in 19 ore uno stampo di laminazione monolitico da 2200 × 2200 × 600 mm, poi rifinito con lavorazione CNC e ciclo in autoclave. Rispetto all’attrezzatura tradizionale, lead time e scarti di materiale si sono dimezzati e il costo è sceso del 30%.

Cross Industry Dynamics aveva il vincolo opposto, una data di fiera che non lasciava spazio per uno stampo. La carrozzeria del prototipo di hypercar ha richiesto 24 ore di stampa, e l’intero progetto, dallo schizzo allo stand, due settimane.

Pezzi in metallo, buy-to-fly e sostenibilità della stampa 3D

Nel metallo gli ingegneri parlano di rapporto buy-to-fly, cioè il peso del materiale acquistato rispetto a quello del pezzo finito. Per i componenti strutturali aeronautici si aggira spesso intorno a 20:1, quindi circa 19 kg su 20 acquistati diventano scarto. Quei trucioli prima o poi vengono riciclati, ma l’energia spesa per produrre il billet è persa.

Con la WAAM (wire arc additive manufacturing) il metallo viene depositato già più o meno nella forma del pezzo finale, lasciando un piccolo sovrametallo per la lavorazione. Si compra molto meno materiale, e molto meno finisce sul pavimento dell’officina.

JOME Engineering aveva bisogno di un’elica di ricambio a Dubai e non disponeva dei disegni. Il team ha scansionato il pezzo originale e stampato un’elica in SS316L da 26 kg su Vipra AM, la piattaforma WAAM robotica di Caracol. Rispetto alla fusione ha risparmiato circa il 60% sui tempi e il 40% sui costi, e siccome non è servito uno stampo in acciaio e si è fuso solo il filo depositato, anche l’impronta di CO2 è stata più bassa.

Vale la pena guardare i tempi. La stampa ha richiesto circa 20 ore, la lavorazione meccanica circa 100. Chi mette a budget un progetto WAAM deve tenerne conto, perché raramente è il robot a far perdere tempo, ed è anche un ottimo argomento a favore delle celle robotiche che stampano e lavorano nello stesso setup.

Microfactory robotiche: stampa 3D e sostenibilità vicino al punto di utilizzo

C’è un aspetto che si tende a trascurare: la produzione vera e propria pesa solo per una parte dell’impronta di carbonio di una supply chain, mentre gran parte del resto dipende dallo spostamento dei pezzi. Produrre dove serve significa intervenire sulla quota più grande del problema.

Caracol affronta il tema come una sfida di advanced manufacturing, in cui l’additive è uno dei processi in gioco. La sua microfactory nasce da questa idea, con stampa, fresatura, scansione e controllo qualità in un’unica cella robotica. Il robot alterna estrusori, mandrino di fresatura e scanner, così il pezzo esce finito senza passare da tre fornitori diversi. Le celle vengono installate vicino all’utilizzatore finale e replicate quando i volumi crescono. Caracol stima un risparmio sul capex dal 20 al 50% rispetto a un impianto centralizzato, e con il suo approccio a ecosistema tratta robot, materiali, software Eidos Manufacturing e competenze di processo come un unico pacchetto qualificato insieme.

È l’automazione a far funzionare questo modello fuori da un grande stabilimento. Dentro la cella i sensori seguono il processo mentre avviene, controllando geometria del cordone, temperatura e comportamento del bagno di fusione, mentre uno strato IoT permette a un solo ingegnere di monitorare un robot o un’intera flotta da un’altra sede. Software e AI fanno il resto, trasformando il know-how di pochi specialisti in parametri di processo che ogni cella può ripetere. I pezzi si producono on demand, vicino a dove verranno usati, così i magazzini si riducono e buona parte di camion, navi e trasporto aereo esce dall’equazione.

La stampa 3D è etica?

Dipende da cosa sostituisce. Rimpiazzare uno stampo in acciaio, un billet con rapporto 20:1 o un container che attraversa l’oceano con un pezzo stampato è un miglioramento misurabile. Stampare pezzi che uno stampo produrrebbe in modo più efficiente su grandi volumi, o pezzi di cui nessuno ha davvero bisogno, sposta solo il problema altrove. Produrre on demand significa anche meno scorte e meno prodotti che diventano obsoleti su uno scaffale.

Il punto debole, oggi, sono i dati. I metodi per confrontare la sostenibilità tra tecnologie diverse sono ancora poco omogenei, e la maggior parte dei numeri pubblicati viene da singoli case study, compresi quelli citati qui.

Per chi valuta un progetto additive, o più in generale di advanced manufacturing, alcune domande avvicinano alla verità più di qualsiasi brochure. Qual è il rapporto buy-to-fly? Da dove arriva il materiale e quanta strada farà il pezzo finito? Il fine vita resta la domanda più difficile, soprattutto per i compound fibrorinforzati, e nel settore sono ancora pochi ad avere una risposta convincente.

Stai valutando la LFAM robotica o la WAAM per il tuo prossimo progetto?

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