Stampa 3D
Produzione digitale e stampa 3D: una opportunità sia per gli utenti finali che per gli operatori di canale
di Luigi Bai e Giancarlo Magnaghi
La stampa 3D (3D-printing) è un metodo di produzione di oggetti tridimensionali a partire da un modello digitale che permette di creare prodotti finiti o parti di essi attraverso un processo di produzione additiva (additive manufacturing) che costruisce gli oggetti aggiungendo materiale, contrariamente a quello che fanno le macchine utensili tradizionali (torni, frese, trapani), che asportano porzioni di materiali esistenti per ottenere i prodotti finiti (produzione sottrattiva).
In parole molto semplici le stampanti 3D, sfruttando diverse tecnologie, depongono in sequenza su una piastra strati successivi di materiali che sovrapponendosi danno forma al pezzo.
Attraverso i processi di produzione additiva si possono creare oggetti utilizzando : plastica, metalli (acciai, alluminio, rame, metalli preziosi, leghe e super-leghe), ceramica, fibra di carbonio, argilla, sabbia, vetro, carta, cioccolato e persino cellule viventi (bio-printing). Tali materiali sono utilizzati dalle stampanti 3D sotto forma di polveri, liquidi, paste, filamenti o lamine. Alcune macchine permettono di produrre oggetti con diversi colori e composti da materiali diversi, anche con parti a geometria variabile o rotanti come cerniere, snodi, cuscinetti a sfera, molle, etc.
Una breve storia delle tecnologie utilizzate.
Il processo di stampa di oggetti fisici partendo da dati digitali è stato sviluppato per la prima volta da Charles Hull nel 1984, e da lui brevettato nel 1986 con il nome di stereolitografia (SLA) : un fotopolimero liquido contenuto in un serbatoio veniva solidificato, selettivamente e strato per strato, da un raggio laser ultravioletto, gestito da un software specifico, che attivava il processo di polimerizzazione. Contemporaneamente lo stesso Hull costituiva la società 3D Systems che ha iniziato a commercializzare nel 1988 la prima stampante 3D industriale.
Nel 1989 Scott Crump ha invece cominciato a lavorare su un’altra tecnologia : la modellazione a deposizione (Fused Deposition Modeling o FDM), brevettata nel 1992. Un filamento termoplastico veniva srotolato da una bobina, riscaldato ed estruso attraverso un ugello mobile, controllato anche in questo caso da un software specifico, e depositato strato dopo strato su un piatto fisso. Crump ha fondato nello stesso anno con la moglie Lisa la Stratasys che è entrata con successo nel campo della prototipazione ed è oggi il maggiore produttore di stampanti FDM di fascia alta.
Nel 1992 ha fatto il suo ingresso la sinterizzazione laser (Selective Laser Sintering o SLS) in un letto granulare: il processo partiva dalla deposizione di uno strato granulare di materiale (polveri di polimeri termoplastici, ABS, nylon, PVC, cere, polistirene, resine epossidiche ecc.), pressato attraverso un rullo su tutta l’area di lavoro; un laser ad alta potenza guidato da un microcomputer si posizionava sui granuli e li microfondeva; il piano porta-pezzo si abbassava, un altro strato veniva steso ed il ciclo riprendeva. Successivamente sono state utilizzate anche polveri metalliche, quali leghe di alluminio, acciaio, bronzo, titanio, tungsteno, e la tecnologia è stata chiamata Direct Metal Laser Sintering. Le temperature in gioco erano il 60-70% delle tipiche temperature di fusione dei materiali. 3D system ed EOS sono attualmente i più importanti produttori di stampanti SLS che vengono utilizzate non solo per realizzare prototipi, ma anche per la produzione di pezzi singoli e complessi.
La fusione laser selettiva (Selective Laser Melting o SLM), che è nata in Germania nel 1995, fonde invece totalmente i granuli di materiale (leghe di titanio, cromo- cobalto, acciao inossidabile ed alluminio): in questo modo le proprietà meccaniche e fisiche dell’oggetto stampato sono di fatto identiche a quelle di un oggetto ottenuto per fusione e non presentano la maggiore fragilità tipica dei materiali sinterizzati.
Se si vogliono produrre pezzi in titanio, cobalto od alluminio (metalli che devono essere trattati sottovuoto in quanto reagiscono direttamente con l’ossigeno, con pericoli di incendio e di esplosione) viene utilizzato un fascio concentrato ed accelerato di elettroni (Electronic Beam Melting o EBM) che colpisce il materiale in forma micro-granulometrica e ne provoca la fusione completa (a 700-1000 gradi). Questa tecnica è stata introdotta nel 2002 dalla azienda svedese Arcam e trova applicazione nel settore aeronautico (palette dei reattori) e biomedicale (protesi).
Nei sistemi di produzione additiva tramite lamine (Laminated Object Manufacturing o LOM), fogli sottili plastici o metallici vengono tagliati (meccanicamente o via laser) ed incollati insieme, in maniera da ottenere la forma voluta. La società irlandese Mcor Technologies dal 2005 utilizza semplici fogli di carta A4 che vengono prima colorati con un inchiostro speciale per mezzo di una stampante ink-jet, poi profilati meccanicamente nella forma voluta, ed infine incollati.
Anche la tradizionale tecnologia ink-jet è stata utilizzata da Z-Corporation, fin dal 1997, per consolidare, strato su strato, polveri di gesso o di resine attraverso lo spruzzo di opportuni leganti nella sezione trasversale del pezzo, ed ottenere così oggetti colorati (questo processo, chiamato Three Dimensional Printing, era stato sperimentato per la prima volta nel 1993 al Massachusetts Institute of Technology di Boston)
Sono inoltre già operative negli istituti di ricerca di tutto i mondo le prime bio-printer in grado di costruire tessuti umani semplici come la cute od i vasi sanguigni partendo da cellule vive : nel secondo caso un ugello deposita uno struttura di supporto in idrogel, all’interno della quale un secondo ugello deposita uno strato di cellule (inchiostro biologico); strato dopo strato viene costruito il tessuto e la struttura in 3D; alla fine del procedimento le cellule si saldano, viene rimossa la struttura in idrogel e rimane il vaso sanguigno. Il prossimo futuro vede già la possibilità di “stampare” interi organi quali il cuore ed i polmoni.
Oggi
Da questa brevi note si può capire che la produzione additiva è nata più di 30 anni fa e che, visto l’alto costo delle macchine, ha trovato una sua collocazione di nicchia solo a livello di produzioni industriali sofisticate. Negli ultimi anni invece, non solo alcuni brevetti di Stratasys e di 3D System sono scaduti, ma sono stati resi disponibili anche schede di controllo e software di gestione open source. Di conseguenza già nel 2006 Adrian Bowyer della Bath University (Inghilterra) ha introdotto il primo progetto di stampante 3D open source, chiamato RepRap (Replicating Rapid-prototyper), una stampante 3D autoreplicante (self-replicating machine) di bassissimo costo. Questo ha creato immediatamente una numerosa comunità di maker (o fabber), privati appassionati del fai-da-te od artigiani digitali, la cui filosofia di base è stata quella della condivisione. In questo ambiente è stata per lo più usata la scheda di controllo Arduino (progetto open source italiano, sviluppato dal 2005 da Massimo Banzi presso l’Istituto di Interaction Design di Ivrea). E nel 2008 a New York è stata fondata la MakerBot che ha cominciato a commercializzare le prime stampanti 3D personali, con tecnologia FFF (Fused Filament Fabrication) analoga a quella FDM di Stratasys. MakerBot ha reso disponibile anche Thingiverse.com (contrazione di Thing Universe o universo delle cose), il primo sito internet dedicato alla stampa 3D che attualmente contiene oltre 400.000 modelli di oggetti, file liberamente scaricabili.
Una grande novità, soprattutto dal punto di vista sociologico, è il fenomeno del fabbing che unisce il mondo dei social network, le applicazioni in cloud, la condivisione in rete delle proprie esperienze e la libera circolazione di progetti hardware e software in modalità open source. Il luogo fisico di aggregazione dei makers è il FabLab (Fabrication Laboratory o Laboratorio di Fabbricazione): una piccola officina dotata di strumenti hardware e software che offre servizi personalizzati di fabbricazione digitale per gli stessi fabber o per gli artigiani digitali. I FabLab possono svolgere attività di formazione, progettazione, consulenza ed anche di vendita di hardware, software e materiali. Possono essere realizzati all’interno di scuole, università o centri di ricerca, oppure creati da enti pubblici od incubatori di impresa, oppure supportati da associazioni di categoria od essere iniziative imprenditoriali private.
Il mercato delle stampanti industriali di fascia alta è attualmente coperto da una decina di grandi produttori a livello mondiale che cercano di mantenere elevati i prezzi delle macchine, in parte comunque giustificati dagli altissimi investimenti di ricerca e sviluppo, mentre il mercato delle stampanti di fascia medio-bassa (in particolare quelle con tecnologia FFF) è caratterizzato da una concorrenza vivace ed aggressiva fra le centinaia di piccole aziende presenti, molte delle quali start-up, che determina un rapido e continuo calo dei prezzi.
Come scegliere una stampante 3D
Le stampanti 3D nate come costose macchine per prototipazione si sono evolute capitalizzando sui progressi tecnologici della meccatronica, dell’informatica e della scienza dei materiali, ed hanno migliorato significativamente il loro rapporto prezzo-prestazioni.
Oggi ogni specifico processo di produzione additiva presenta vantaggi e limitazioni, consentendo di utilizzare solo determinati materiali; di conseguenza i principali player, per proporre un’offerta più ampia basata su differenti tecnologie, hanno finalizzato progetti mirati di acquisizione (ad esempio Stratasys con MakerBot, 3D System con Z-corporation) o di concentrazione.
In generale possiamo dire che i principali criteri da usare nella scelta di una stampante 3D sono le dimensioni massime ed il materiale degli oggetti che si vogliono realizzare, la velocità di produzione, il costo della macchina, i costi e la stessa disponibilità dei materiali.
I prezzi delle stampanti 3D variano infatti da poche centinaia di euro per le stampanti amatoriali in grado di produrre piccoli oggetti in plastica o argilla alle decine o centinaia di migliaia di euro per le stampanti industriali che producono grandi parti metalliche.
Dai bit agli atomi
Per produrre un oggetto tramite un processo di stampa 3D, si devono seguire i seguenti passi:
- Mediante strumenti software di progettazione CAD 3D (proprietari od open-source) o usando scanner 3D, se si vuole riprodurre un oggetto esistente, si crea un modello digitale dell’oggetto
- Si esporta il modello a una stampante 3D, generalmente tramite un file in formato standard STL (Standard Tessellation Language) che descrive la geometria del pezzo come un insieme di triangoli (mesh)
- La stampante 3D “legge” il file e produce il pezzo strato per strato (layer-by-layer)
- L’oggetto prodotto viene sottoposto a eventuali operazioni di finitura (pulitura, trattamenti superficiali).
I vantaggi e le opportunità
La stampa 3D presenta diversi vantaggi rispetto ai metodi di produzione convenzionali: un’idea si può trasformare direttamente in un prototipo o in un prodotto finito partendo da un file sul computer del progettista, evitando intermediari e molti stadi della produzione tradizionale. Di conseguenza può avere un ruolo specifico in tutte le fasi del ciclo di vita dei prodotti.
La produzione additiva inoltre assorbe meno energia della produzione sottrattiva, può ridurre la quantità di materiale sprecata nei processi di fabbricazione e può creare oggetti che è difficile o impossibile ottenere con le tecniche tradizionali.
Secondo autorevoli ricerche di mercato, la stampa 3D è una delle principali tecnologie emergenti (disruptive technologies) che rivoluzioneranno le nostre vite nei prossimi 10-20 anni. Secondo McKinsey, a partire dal 2025 la fabbricazione additiva produrrà un impatto economico globale dai 230 ai 550 miliardi di dollari all’anno. Le opportunità di mercato sono notevoli sia nel campo hobbistico/artigianale dei maker (modellismo, giocattoli, accessori, gioielleria, calzature, moda, ceramica, scultura, strumenti musicali, parti per restauri, pasticceria), per realizzare oggetti unici o personalizzati (con produzione diretta nei FabLab o tramite centri servizi, presenti anche in Italia), sia nel campo industriale (dalla realizzazione di prototipi alla produzione di componenti di macchine e parti di ricambio).
I mercati più promettenti sono, oltre al rapid prototyping, produzione in piccola serie di prodotti ad alto valore aggiunto, oggetti di design, oreficeria, occhiali, industria motociclistica, automobilistica e aerospaziale, meccanica di precisione, protesi e altri dispositivi medicali, che richiedono un alto livello di personalizzazione e complessità: in altre parole, i prodotti tipici del Made in Italy.
La produzione additiva può quindi permettere un cambiamento profondo della filiera produttiva, modificando i ruoli degli attori e proponendo nuovi modelli di business. Questo cambiamento porterà opportunità e sfide all’industria italiana, permettendo produzioni flessibili e localizzate vicino agli utilizzatori, e porrà difficili sfide a dirigenti e imprenditori, che dovranno essere in grado di modificare i processi produttivi, logistici e organizzativi per approfittare delle nuove opportunità, come la ri-localizzazione della produzione (back-shoring), resa possibile dai risparmi sui costi di produzione e di logistica (spazi di magazzino e trasporti), grazie alle produzione on-demand che sfrutta i processi di produzione additiva.
Target di mercato e Canali di distribuzione
Come nel mondo dell’ICT l’offerta di stampanti 3D si può segmentare in prodotti consumer e prodotti professionali. I primi hanno come target i maker/fabber che operano nell’ecosistema dei FabLab, gli hobbisti, i secondi si rivolgono non solo ai Large Account industriali, ma anche ai professionisti (architetti, ingegneri, designer), alle micro imprese ed alla piccola-media impresa.
La fascia consumer viene molto spesso commercializzata direttamente dal fornitore utilizzando un proprio servizio di e-commerce o di cash&carry; può essere disponibile anche nella Grande Distribuzione Specializzata, attraverso dealer od in alcuni FabLab. I margini sul prodotto HW non consentono grossi investimenti.
I maggiori produttori internazionali di stampanti professionali di fascia alta hanno invece cercato di mantenere un business model che privilegia un approccio diretto al cliente in termini di vendita e di assistenza: questo ha senso specialmente quando si parla di macchine con costi superiori a 50.000 euro che richiedono grandi investimenti in training e parti di ricambio.
Oggi però la loro offerta è completata anche da sistemi da 2.000 a 20.000 euro : sarà quindi necessario implementare una chiara strategia di canale che coinvolga operatori capaci di supportare localmente il cliente sia in fase di prevendita che di postvendita. Questo significherà lasciare al Value Added Reseller margini del 15-20% e supportarlo nella fase di training per trasferire competenze e conoscenze che lo rendano un interlocutore credibile per l’utente finale. Facile a dirsi, ma difficile a farsi. Attualmente anche per i fornitori di piccole dimensioni regna molta confusione e pur di farsi conoscere e guadagnare velocemente quote di mercato vengono sfruttati tutti i canali (dalla diretta tradizionale all’e-commerce, dai distributori ai rivenditori, dalle software house ai FabLab, dalla GDS ai Centri Servizi) senza prima definire e mantenere prezzi di cessione coerenti per tutti gli attori, in modo da evitare potenziali conflittualità.
Di conseguenza per un operatore di canale professionale puntare oggi sul mercato delle stampanti 3D non è facile. Non è sufficiente infatti fornire la macchina, ma si deve proporre la “soluzione ottimale”; il che significa la consulenza nella scelta dell’hardware (scanner, stampante), del software di gestione, e dei relativi servizi di post-vendita. La prima cosa di cui tener conto è quindi la necessità di avere od acquisire competenze di CAD-CAM, di conoscenza dei materiali e dei processi di produzione, la seconda è l’individuazione del target di clientela da approcciare ed i suoi potenziali bisogni in termini di produzione additiva, la terza la selezione di una o più tecnologie adeguate e da ultimo la scelta del fornitore. Last but not least la valutazione della sua strategia di canale. Deve essere considerata anche la possibilità di creare al proprio interno un mini-centroservizi, che, oltre ad essere fonte di fatturato addizionale, permette al potenziale cliente di verificare prima dell’acquisto, la qualità degli oggetti da lui progettati.
Con questo approccio sarà possibile definire un semplice business plan con un orizzonte temporale di almeno uno-due anni che permetta di cavalcare positivamente e senza sorprese questa opportunità unica.