Come migliorare le performance della manifattura additiva? Come rendere la stampa 3D più competitiva rispetto alla produzione convenzionale? Serve un digital thread, un tessuto software che connette in modalità “end to end” tutte le funzioni associate alla manifattura di nuova generazione. È questa la missione della piattaforma software GrabCad Additive Manufacturing annunciata da Stratasys, il leader mondiale della stampa additiva a polimeri che vanta una capitalizzazione di mercato superiore ai 2 miliardi di dollari, un fatturato di 520 milioni di dollari e un parco installato di 140.000 stampanti. La piattaforma prevede la digitalizzazione di tutte le fasi che contribuiscono alla definizione del valore additivo: progettuali, ingegneristiche, di prototyping e di produzione. Obiettivo è dare a print service provider ed end user il pieno controllo dell’ambiente di fabbrica 3D con ordini di produzione che vengono trasferiti in modalità digitale, favorendo la condivisione di informazioni tra shop floor, magazzino e applicazioni gestionali e il monitoraggio in remoto dell’avanzamento lavori per evidenziare tutte le possibili criticità di funzionamento delle singole macchine.
Per realizzare questa visione Stratasys intende integrare e rendere interoperabili i processi negli ambienti di produzione esistenti, il cui tratto distintivo è la presenza di una molteplicità di sistemi e un insieme eterogeneo di applicazioni enterprise come Mes, Plm ed Erp. Una decisione che riflette la progressiva importanza del software nell’evoluzione della manifattura additiva. Secondo SmarTech Analysis, il valore del software associato alla stampa 3D passerà dagli attuali 500 milioni di dollari a oltre 3 miliardi nel 2026. Perché il paradigma della manifattura additiva possa affermarsi su larga scala, e diventare la leva per la transizione dalla produzione di massa alla personalizzazione di massa, è essenziale diminuire la componente di lavoro manuale. Ed è in questa direzione che va intesa la nuova piattaforma software. Al contrario di quanto si possa pensare, la manodopera è ancora la componente più costosa della maggior parte dei processi di produzione additiva.
C’è ancora chi utilizza il foglio di calcolo Excel per gestire ordini e flussi di lavoro, un metodo alquanto arcaico e piuttosto inefficiente. La strategia di Stratasys, volta alla digitalizzazione dei processi, si potrebbe quindi rivelare fondamentale per ridurre il costo per unità di prodotto, rendendo l’additive ancora più efficiente nella produzione a volumi. «Una stampante 3D non è una scatola magica su cui basta premere un pulsante per ottenere un pezzo perfetto – afferma Nadav Goshen, executive vice president of Software di Stratasys. Serve una visione d’insieme e un’automazione dei processi lungo tutta la filiera digitale della stampa». All’iniziativa hanno già aderito importanti nomi del software industriale. Tra questi: Siemens, Schneider Electric, Identify3D, IndusIntel, Amfg, Link3D, Vistory e Teton Simulation. Partner di Stratasys anche un end user del calibro di McLaren Racing, brand storico di Formula Uno, che ha iniziato a collaborare con Stratasys a partire dal 2017 per gestire la prototipazione rapida e la produzione di parti personalizzate.
Nuova intelligenza software per la digitalizzazione della manifattura additiva
I sistemi di produzione additiva stanno dimostrando sempre più la loro capacità per la produzione in serie di parti. Tuttavia, le soluzioni tradizionali non sono progettate per gestire digitalmente flussi di lavoro additivi. La scalabilità di questa tecnologia richiede nuova intelligenza software per gestire un gran numero di stampanti 3D distribuite su più sedi, monitorare la qualità dell’output, automatizzare la gestione dei materiali e integrarsi all’interno dell’azienda con sistemi e applicazioni esistenti. Secondo le intenzioni di Stratasys, la piattaforma consentirà ai clienti di gestire in modo efficiente operazioni sempre più grandi e complesse per produrre parti di produzione di alta qualità su larga scala.
«GrabCad Additive Manufacturing è un elemento essenziale della nostra visione per trasformare digitalmente le operazioni di produzione in tutto il mondo, dice Goshen. Questo avverrà grazie al contributo dell’ecosistema di partner». Tra le app della piattaforma: GrabCad Shop, dedicata alla gestione delle parti e degli ordini con l’obiettivo di massimizzare il throughput attraverso tutte le fasi esecutive, dando visibilità su attività di scheduling, disponibilità dei materiali, e funzioni di reporting di monitoraggio remoto; GrabCad Print, per semplificare il workflow tra la progettazione e la preparazione della stampa. Nel 2022 è poi prevista la disponibilità di GrabCad Print Manager la cui funzione è ottimizzare la gestione in remoto di flotte di stampanti.
Stampa 3D, un tasso di crescita medio annuo del 21%. Mercati chiave l’automotive, l’aerospazio e i trasporti
La dimensione del mercato globale della stampa 3D è valutata intorno ai 16,54 miliardi di dollari e si prevede che si espanderà a un tasso di crescita medio annuo del 21% dal 2021 al 2028 per raggiungere un valore prossimo ai 62 miliardi e un volume di vendita di circa 15 milioni di stampanti. Onnipresente nella prototipazione e nello sviluppo dei prodotti per decenni, la stampa 3d si sta ora diffondendo nella produzione. Secondo recenti stime le stampanti additive sono già utilizzate per il 50% nella lavorazione di parti e componenti. Insomma, la stampa 3D si sta progressivamente affermando come tecnologia alternativa o complementare alla manifattura convenzionale.
Nell’automotive, nell’aerospace e nei trasporti, mercati trainanti le tecnologie additive, le stampanti 3D vengono utilizzate sia per la produzione di semilavorati o manufatti intermedi sia per la produzione di prodotti finiti, trovando il massimo beneficio soprattutto in tutte quelle produzioni di pezzi numericamente limitati, per lotti o customizzate, che rendono gli attuali processi tradizionali molto costosi. «Stiamo entrando rapidamente nell’era della fabbricazione additiva, nella quale vedremo i protagonisti della produzione globale andare oltre la prototipazione per sfruttare appieno tutta la flessibilità che la stampa 3D apporta all’intera catena del valore della produzione – afferma Yoav Zeif, Ceo di Stratasys – Le interruzioni delle catene di approvvigionamento globali cui stiamo oggi assistendo, sia dal punto di vista della domanda che dell’offerta, dimostrano chiaramente che in questo momento qualcosa non sta funzionando. La fabbricazione additiva dà alle aziende la flessibilità totale di decidere quando, dove e come produrre parti»
Superare i limiti attuali
L’applicazione additiva è per il momento riferibile a piccole produzioni. Una recente inchiesta condotta nel 2021 evidenzia che circa il 64% delle stampanti viene utilizzato per la lavorazione di massimo di 10 pezzi, il 22% fino a 50 pezzi mentre solo il 2% è utilizzato per produzioni superiori ai 1.000 pezzi. Quali i limiti per un’ulteriore espansione delle tecnologie 3D per una produzione su scala industriale? Innanzitutto, il costo per unità di prodotto che, rispetto alla manifattura tradizionale, tende ad aumentare al crescere dei volumi. Ma anche il numero di interventi richiesti in post-produzione non è irrilevante. E ancora, le limitate competenze presenti all’interno delle aziende. Infine, la reperibilità dei materiali. La buona notizia è che su tutti questi fronti, di anno in anno, si registrano miglioramenti sostanziali. Grazie al perfezionamento della tecnologia, che consente di ottenere un elevato rendimento e parti finali di qualità sempre più elevata, nonché a una varietà di materiali a polimeri e a metalli, la stampa 3D tende progressivamente ad essere competitiva in volumi di produzione mediamente più elevati. Oltre alla fabbricazione diretta di parti, la stampa 3D trova spazio anche nella “produzione ibrida”, nel ruolo di processo intermedio da affiancare a quelli tradizionali, ad esempio nella creazione di stampi.
Integrazione con sistemi e applicazioni enterprise
La GrabCad AM è stata creata partendo dalle esperienze che i clienti Stratasys hanno sperimentato nella transizione del 3D alla manifattura additiva. Da tutte le discussioni è emersa l’esigenza di una nuova soluzione software per sfruttare tutto il potenziale delle tecnologie additive. Il software è un mercato ad alta crescita e Stratasys vuole essere il protagonista di questa innovazione. «Le promesse del 4.0 sono state in parte disattese perché le soluzioni non sono state teorizzate secondo un paradigma digitale – spiega Paul Giaconia, vp software products & strategy di Stratasys – Si deve impostare un nuovo modello di sviluppo fondato su un miglioramento dei processi basato su una logica data driven tipica dell’Industrial IoT. Tutto nasce dalla possibilità di avere macchine connesse. L’obiettivo di questo sviluppo è avere una piattaforma di per gestire tutte le risorse additive abilitanti la produzione distribuita. Sempre più aziende stanno portando stampanti 3D nei loro impianti di produzione esistenti ma in molti casi, queste strutture includono macchinari di derivazione eterogenea, che devono essere integrati e interconnessi».
Il software development kit per integrare il maggio numero di sistemi e applicazioni
«Quando andiamo da un nostro cliente vediamo una la presenza di una molteplicità di sistemi, additive e non additive, macchine dedicate al post processing e molte altre – racconta Goshen – Ecco, quindi, la necessità di aver una piattaforma aperta a terze parti, e allo stesso tempo integrata con applicazioni enterprise, per creare soluzioni interoperabili». Da qui l’idea un software development kit con tutto un set di Api (application programming interface) in grado di interfacciare tutte le più diverse applicazioni e sistemi, prevedendo lo sviluppo di nuove soluzioni. «Abbiamo una tecnologia in grado di produrre parti. La sfida è ora integrarla a livello esecutivo – dice Giaconia – Stiamo parlando di una “smart connected industrial software platform”, la cui potenza deriva dalla disponibilità di dati, un middleware che funziona da cerniera per integrare asset di stampa, applicazioni, utenti, ordinativi e gestione dei materiali su un’infrastruttura cloud sicura».
Per un 3D printing su scala industriale
«La manifattura additiva è molto diversa dal prototyping. Utilizzare lo stesso workflow non funziona – afferma Goshen – Nel prototyping sono coinvolti pochi utenti e sistemi. Nella produzione sono al contrario presenti molti utenti e funzioni. Occorre un qualcosa che sappia gestire il closed loop, dal design alla produzione. Le soluzioni attuali non riescono a supportare queste esigenze poiché il Mes così come l’abbiamo finora conosciuto è stato pensato per gestire una produzione seriale. È questo il motivo che ha frenato la transizione della stampa 3D alla produzione». Come dire, serve un “additive manufacturing execution system”. La piattaforma prende in esame l’intero workflow. Si inizia con il design, di una parte o di un componente, lo si valida per poi passare alla fase di processo esecutiva. Nessun inventario, nessuna supply chian, una produzione just in time. Con la piattaforma viene realizzata la convergenza tra digitale e additive manufacturing, ponendo le premesse per un 3d printing su scala industriale.
Obiettivo produzione distribuita
La tecnologia 3D non può essere vista come un ambiente di produzione a sé, ma integrato nel sistema di fabbrica e con le applicazioni enterprise esistenti. Soprattutto in vista di quella che è una delle prerogative dell’additive, la produzione distribuita. Avere, per esempio, la possibilità che, in caso di guasto di una stampante il lavoro possa essere allocato su altre stampanti evitando così interruzioni di produzione. I futuri progressi in campo tecnologico, tra questi la nuova generazione di piattaforme software come GrabCad AM, dovrebbero verosimilmente accelerare i tempi di produzione delle macchine additive, standardizzare la qualità del prodotto, eliminare costi e tempi di rilavorazione. Come risultato, la curva del costo unitario del prodotto additivo potrebbe inclinarsi ulteriormente, accelerando il raggiungimento delle economie di scala, così da rendere competitive le tecnologie additive su più fronti, e non solo su quello delle produzioni unitarie e di piccoli batch di prodotti.
Per una supply chain additiva
Rendere scalabile la produzione attraverso l’interoperabilità con capacità di trasformare la supply chain. Il workflow è complesso. Dall’acquisizione della domanda, allo scheduling, alla distinta di lavorazione, al settaggio della produzione. È un lavoro ancora svolto in modalità manuale. Per avere una manifattura distribuita tutto questo deve essere automatizzato. Print service provider con migliaia di macchine distribuite a livello globale devono poter avere visibilità sull’installato, comprendere quale macchina è preferibile utilizzare per una produzione specifica e quale lo shop floor ottimale. Sono tutte cose che non possono essere fatte in assenza di un software management dedicato. Obiettivo di Stratasys è semplificare l’integrazione e l’interoperabilità di fabbrica in ambienti dove sono presenti risorse eterogenee, di provenienza Stratasys e non, attraverso lo sviluppo di applicazioni terze parti. Teton Simulation ha per esempio sviluppato una soluzione di virtual testing che permette di analizzare tutti i fattori che impattano sulla produzione additiva, individuando il processo di produzione ottimale. «Il limite attuale con cui si confrontano gli utenti è la qualità del prodotto – spiega Doug Kenik, ceo di Teton – Si fanno spesso decine di prototipi prima di arrivare alla definizione del prodotto finale con una perdita in termini di materiale utilizzato e un rilevante aumento dei costi. La nostra soluzione riduce sensibilmente i costi di sviluppo poiché permette una simulazione della produzione in funzione dei materiali e del settaggio della macchina in modo da minimizzare i tempi di stampa e il volume di materiale utilizzato».
