Industry 4.0

Stampa 3D in azienda: i quattro benefici reali e dimostrati (con casi applicativi)

Qualità differenziante rispetto ai propri competitor, con soluzioni innovative non (facilmente) imitabili nel breve periodo. Riduzione dei tempi di esecuzione di un progetto. Risparmio sui costi grazie a maggiore efficienza nella produzione e assemblaggio. Flessibilità nella produzione. Ecco i benefici reali che risultano da casi di studio già disponibili

10 Mag 2016
Andrea Bacchetti

Osservatorio Smart AgriFood del Politecnico di Milano e dell’Università degli Studi di Brescia

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Aldilà delle ben note applicazioni di prototipazione rapida (Rapid Prototyping), la stampa 3D si sta facendo sempre più largo all’interno delle imprese manifatturiere per la realizzazione di oggetti caratterizzati da proprietà meccaniche, fisiche e chimiche, del tutto comparabili a quelle ottenibili con le tecniche tradizionali. Tra questi ambiti, è possibile ricordare la produzione di attrezzature e utensili propedeutici alle attività produttive (Rapid Tooling), e la realizzazione di componenti e prodotti finiti, anche in termini di parti di ricambio (Rapid Manufacturing).

Vediamo quali siano i benefici legati all’applicazione delle tecnologie additive, illustrando alcuni casi noti di imprese che da tempo le stanno utilizzando.

Nella visione più aggregata possibile, tali benefici possono essere ricondotti a quattro categorie, che fanno riferimento ai differenziali competitivi sui quali un’azienda può agire per crearsi un vantaggio rispetto ai propri concorrenti[1].

  • Qualità: a quest’area appartengono tutti i benefici inerenti la possibilità di sviluppare prodotti con funzionalità incrementate (o completamente differenti rispetto a quelle dei prodotti attuali), proprietà e prestazioni superiori (affidabilità, durabilità, conformità, etc.), geometrie e forme più complesse, estetica migliorata, etc., oppure di offrire una personalizzazione molto spinta del prodotto. In questo caso quindi i benefici permettono una maggiore differenziazione rispetto ai propri competitor, offrendo soluzioni innovative non (facilmente) imitabili nel breve periodo.

Esempi: spesso la stampa 3D permette la realizzazione di componenti e prodotti con prestazioni superiori rispetto agli stessi realizzati con tecnologie tradizionali sottrattive. Questo aspetto è legato alla possibilità di ottenere forme complesse e geometrie non realizzabili con i metodi sottrattivi, talvolta riducendo anche il peso del prodotto, migliorandone alcune caratteristiche meccaniche. Un caso applicativo noto è quello di GE Aviation, che già oggi stampa circa 100.000 pezzi/anno (altro che poche unità!) delle proprie turbine con tecnologie additive. Per restare in Italia, la divisione Oil&Gas di GE si sta interessando all’utilizzo della stampa 3D per la realizzazione di componenti più performanti per i propri impianti (elementi di turbine e di compressori), cercando di rispondere in modo sempre più mirato alle esigenze dei clienti circa la volontà di ottenere prodotti più affidabili e più efficienti, che possano ridurre i costi operativi di impiego durante la propria vita utile.

  • Tempo: a questa categoria fanno riferimento tutti i benefici relativi alla possibilità di intervenire (specialmente) sui processi aziendali, riducendone il tempo di esecuzione (riduzione del tempo di produzione, riduzione del tempo di progettazione, riduzione del tempo di trasporto e consegna, etc.). Intervenire in quest’area genera quindi un vantaggio competitivo, non più relativo alla sola possibilità di creare prodotti differenti e non imitabili, bensì permettendo di ridurre complessivamente il time-to-market del prodotto, offrendo quindi un servizio migliore al cliente.

Esempi: questa categoria di benefici è quella più ricercata dalle imprese, che desiderano ridurre i tempi di progettazione e prototipazione. Ciò è possibile grazie alla capacità delle stampanti 3D di realizzare il pezzo (prototipo) direttamente dal modello 3D, svincolandosi dalla creazione di attrezzature, utensili e stampi. Per esempio, Ford ha ridotto i propri lead time da alcuni mesi (necessari per realizzare stampi dei propri motori e telai) ad un paio di settimane, abbattendo il costo di questi test preliminari di diverse decine di migliaia di $. Analogamente, in settori differenti e per applicazioni diverse, anche Bticino, Rowenta, Givi e Savio Macchine Tessili sfruttano la tecnologia a questo scopo, anche con l’obiettivo di ridurre il tempo di produzione di componenti personalizzati, talvolta caratterizzati da volumi unitari. Vi sono poi numerose altre aziende del nostro paese, operanti in comparti differenti, che hanno iniziato ad applicare la Stampa 3D per ridurre il time to market dei propri prodotti. Significativo l’esempio di molte aziende del comparto dell’occhialeria, ben nota eccellenza Italiana, che ricercano nelle potenzialità offerte delle tecnologie additive, la possibilità di arrivare prima sul mercato e godere quindi di una finestra temporale maggiore in cui poter vendere i propri prodotti. Per tali prodotti, la cui breve (qualche anno al massimo) vita utile è soggetta a fortissimi trend (anche) di moda, la possibilità di ridurre i tempi di progettazione e prototipazione da dieci settimane a circa due rappresenta una leva competitiva davvero notevole. Anche a parità di durata del periodo di progettazione e prototipazione, il numero di modelli effettivamente testabili e modificabili aumenta esponenzialmente rispetto a qualche anno fa quando non si poteva ricorrere in modo pervasivo alle tecniche additive. Per chi si stesse chiedendo come mai la Stampa 3D non venga ancora utilizzata per la produzione diretta delle montature, la risposta sta nei volumi in gioco, (ancora) troppo elevati per generare una convenienza economica.

  • Costo: l’efficienza costituiva, sino a pochi anni fa, l’obiettivo primario di ogni azienda. La possibilità di contenere i costi e quindi mettere sul mercato prodotti a prezzi competitivi, è stata la leva di successo per molte aziende in qualsiasi settore industriale. Sebbene lo spostamento verso economie di scopo (anziché di scala) abbia fatto insorgere nelle aziende la consapevolezza di agire (quantomeno, anche) sulle leve di differenziazione, per diversi settori la ricerca di maggiore efficienza è comunque rimasta prioritaria. Le tecnologie additive permettono in effetti di perseguirla con risultati interessanti: riduzione delle materie prime in ingresso, riduzione degli scarti e delle non conformità, efficientamento dei consumi energetici, sono solo alcuni dei possibili benefici che ricadono in questa categoria.

Esempi: alcune imprese efficientano il processo di produzione/assemblaggio, grazie alla possibilità di realizzare in un unico processo di stampa differenti componenti. Gli ugelli delle turbine di GE Aviation già citati in precedenza, vengono ora realizzati in un unico step produttivo, mentre con le tecnologie tradizionali era necessario produrre separatamente 20 componenti, successivamente da assemblare attraverso giunzioni e saldature (notoriamente le principali fonti di perdita di efficienza dei prodotti, nonché primaria causa di guasti e difetti).

  • Flessibilità: può manifestarsi in 3 forme, tra cui personalizzazione, varietà della gamma e volumi generati[1]. Una maggiore personalizzazione dei prodotti e dei servizi implica una maggiore dipendenza dalle esigenze del singolo cliente che, per definizione, sono poco (o per nulla) prevedibili e standardizzabili. Un’ampia gamma di prodotti/servizi offerti comporta un maggiore ricorso a leve di modularità e riutilizzo, al fine di ridurre la variabilità delle proprie attività e quindi diminuire la complessità. Infine, la flessibilità legata ai volumi si manifesta nella possibilità di ridefinire le quantità da produrre in funzione della “moda” del momento, privilegiando, per esempio, determinati codici rispetto ad altri. In queste tre concezioni, la flessibilità è quindi sempre più rilevante per le imprese, e le nuove tecnologie additive possono agire in questa direzione.

Esempi: grazie alla convenienza nel realizzare lotti di piccole dimensioni (anche unitari!), la stampa 3D per la produzione di componenti on demand potrebbe essere un’opportunità interessante per tantissime aziende. Del resto, chi non ha in gamma anche prodotti slow moving (le classi B-C di Paretiana memoria), necessari per completare la propria offerta commerciale, ma complessi e costosi per la logistica? Ecco, le parti di ricambio sono l’esempio perfetto di questa categoria di codici. Si tratta, infatti, tendenzialmente di tanti articoli (si pensi al fatto che un singolo apparecchio domestico, tende ad introdurre fino a 250 nuovi codici componente), con domanda fortemente sporadica (quindi difficile da prevedere!), soggetti a forte obsolescenza. Per garantire l’opportuno livello di servizio, le aziende sono tradizionalmente costrette a produrre/acquistare e poi stoccare ingenti quantità di materiali, senza avere alcuna certezza circa l’utilizzo effettivo degli stessi. In questo specifico ambito, esempio significativo è quello di UPS che, per conto di un proprio cliente, ha iniziato nei propri magazzini negli USA a produrre in modo additivo componenti / parti di ricambio per mazze da golf estremamente personalizzate, proprio con l’obiettivo di offrire una gamma di prodotti molto ampia, riducendo allo stesso tempo i costi di gestione delle parti di ricambio. Un ulteriore caso di interesse è rappresentato da applicazioni afferenti al settore armiero, in cui capita sempre più frequentemente che le aziende guardino alle tecnologie additive per realizzare particolari componenti e finiture su specifica cliente, con l’obiettivo di rendere ogni prodotto “unico”. A tal scopo, spesso queste imprese si rivolgono a service provider esterni, in grado di realizzare il componente richiesto, senza aver l’esigenza di possedere internamente la tecnologia.

Infine, uno degli esempi più profondi di applicazione delle tecnologie additive è rappresentato dal caso Dallara Automobili, che tocca in modo più o meno significativo tutte le aree di benefici descritte. Riprendendone la descrizione del caso di studio riportata nel precedente articolo, appare evidente come l’azienda abbia definito e orientato il proprio modello di business delle gallerie del vento (anche) grazie all’impiego di diverse tecniche di Stampa 3D, senza le quali non sarebbe stato possibile realizzare modelli per il test aerodinamico di così elevata finitura, su specifica cliente, nell’arco di qualche giorno ed a costi così contenuti. Una rivoluzione a 360° abilitata proprio dalla manifattura additiva.

Oltre alle applicazioni descritte nei casi sopra citati, quali di questi benefici sono davvero perseguiti dalle aziende manifatturiere italiane che vogliono adottare / stanno adottando tali tecnologie? Riprendendo la ricerca svolta dal Laboratorio RISE dell’Università degli Studi di Brescia, che ha coinvolto circa 100 aziende operanti (anche) in Italia, emerge quanto segue: i benefici attesi dalle imprese che conoscono e utilizzano la Stampa 3D raggiungono punteggi molto elevati con riferimento alle aree di qualità e tempo (reattività), che racchiudono al loro interno la possibilità di migliorare le funzionalità dei propri prodotti / processi / servizi, aumentando la rapidità di reazione nei confronti del mercato. Sono quindi dichiarati molto significativi tutti quei benefici legati alla possibilità di ridurre e comprimere i tempi di progettazione e di prototipazione, in modo del tutto coerente con le richieste del mercato, che richiede una maggiore rapidità nel rispondere alle esigenze dei clienti, orientati sempre più a ricevere prodotti/soluzioni personalizzati e di qualità elevata. Sono invece meno rilevanti per le imprese i benefici legati alla riduzione dei costi e ad una maggiore produttività (Figura 1). Inoltre, molto spesso l’entità del beneficio raggiunto risulta superiore alle attese iniziali (Figura 2).

Nonostante le considerazioni di cui sopra, tale macro area tecnologica non è compresa all’interno delle 5 aree prioritarie su cui l’Unione Europea sta scommettendo per la valorizzazione e la diffusione dell’Industry 4.0. Che l’Unione Europea stia forse vivendo la fase di disillusione tecnologica che invece Gartner (con il suo Hype Cycle) stima sia già alle spalle? Oppure, dall’altro lato, che consideri la tecnologia già (quasi) matura, tale da non avere più bisogno di incentivi? Oppure ancora, che la consideri meramente una tecnologia produttiva, con impatti limitati alla fabbrica? Difficile a dirsi. Il parere di chi scrive è che al contrario ad oggi si sia esplorato e compreso solo una minima parte degli effettivi ambiti applicativi che le tecnologie additive potranno coprire nel prossimo futuro, anche (ma non solo) alla luce dei trend tecnologici in atto, che raccontano di nuovi significativi salti in avanti in termini di dimensioni di stampa, materiali impiegabili, caratteristiche ottenibili, velocità di stampa, etc. In secondo luogo, tali benefici potranno essere apprezzati nella loro pienezza solo quando si raggiungerà una piena consapevolezza di filiera, arrivando a mettere in discussione gli attuali nodi, il loro ruolo, la loro collocazione (anche) geografica sul territorio. In questo senso, il caso UPS di cui sopra potrà fare da apripista.

[1] Krajewski, L., Ritzman, L., & Malhotra, M. (2010). Operations Management: Processes and Supply Chains (9th Edition). Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall.

[1] Hayes, R., & Wheelwright, S. (1984). Restoring Our Competitive Edge: Competing Through Manufacturing. New York: John Wiley

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