Stampa 3D per il settore automobilistico

La stampa 3D, o produzione additiva, è una tecnica di produzione che crea un oggetto tridimensionale a partire da un file di progettazione assistita da computer (CAD). Il termine comprende diversi processi, che prevedono il deposito di uno o più materiali - tipicamente plastica, metallo, cera o materiali compositi - strato per strato per costruire una forma.

L'intero processo è controllato dal computer. Ciò rende la stampa 3D un metodo economico, efficiente e preciso per creare oggetti di qualsiasi geometria o complessità. Oggi la stampa 3D è utilizzata in tutti i settori industriali per produrre qualsiasi cosa, dai prototipi, agli strumenti e alle maschere, fino ai componenti e alle parti destinate all'uso finale.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni, da quelle sufficientemente piccole da essere posizionate su un banco di lavoro alle macchine industriali di grande formato.

Le stampanti di grandi dimensioni possono produrre oggetti più grandi, ma le macchine occupano più spazio e sono significativamente più costose rispetto alle stampanti da banco. Anche la realizzazione di una stampa di successo è più complessa sulle macchine di grande formato, a causa del volume di materiale e dei tempi di stampa necessari.

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La stampa 3D per il settore automobilistico offre numerosi vantaggi, tra cui:

• Semplificazione del flusso di lavoro di progettazione
• Produzione di parti più leggere e resistenti 
• Consolidamento di parti precedentemente separate in un'unica unità
• Riduzione al minimo dello spreco di materie prime
• Riduzione dei tempi di commercializzazione
• Ottimizzazione dell'inventario e della gestione della catena di fornitura
• Semplificare le modalità di personalizzazione dei veicoli da parte dei clienti.
   

L'automotive è uno dei principali utilizzatori della tecnologia di stampa 3D, secondo solo all'aerospaziale. Ciò ha senso se si considera quanto i due settori siano simili in termini di obiettivi fondamentali. Come i produttori di aeromobili, i marchi automobilistici sono fortemente concentrati sul miglioramento dell'efficienza dei consumi e delle prestazioni, riducendo al contempo il peso.

La stampa 3D è adatta a raggiungere questi obiettivi grazie alla sua capacità di produrre componenti più leggeri ma altrettanto resistenti, se non addirittura più forti, di quelli realizzati con metodi di produzione tradizionali.

Inoltre, la stampa 3D offre un nuovo livello di libertà di progettazione. La tecnologia può produrre geometrie di pezzi molto complessi che sarebbe difficile, se non impossibile, realizzare in altro modo. Inoltre, offre un mezzo economico ed efficiente per rendere un veicolo unico per ogni cliente, ad esempio con pezzi di rivestimento interni su misura.

Non c'è da stupirsi che la stampa 3D nel settore automobilistico sia ormai radicata in tutte le case automobilistiche, da Audi a Volvo. Se ne trovano esempi in tutte le aree operative, dalla ricerca e sviluppo (R&S) all'assemblaggio, fino all'assistenza post-vendita e al restauro di auto d'epoca.

Sebbene le auto di serie di oggi contengano poche parti stampate in 3D, la gamma di applicazioni continua ad espandersi e probabilmente a breve vedremo un uso molto più ampio della stampa 3D per il settore automobilistico.

Volkswagen utilizza la stampa 3D da oltre 25 anni, con l'obiettivo iniziale di accelerare lo sviluppo dei veicoli e ridurre i costi.

Oggi, nello stabilimento Volkswagen di Wolfsburg, il quartier generale del Gruppo e uno dei più grandi impianti di produzione al mondo, ci sono 13 unità che utilizzano processi di stampa 3D per realizzare parti in plastica e in metallo.

Esempi tipici di componenti in plastica sono i prototipi come le console centrali, i rivestimenti delle portiere, i pannelli degli strumenti e i paraurti. Le parti metalliche stampate includono collettori di aspirazione, radiatori, staffe ed elementi di supporto.

Ad oggi, Volkswagen ha prodotto più di un milione di parti stampate in 3D.

La sua ultima innovazione di stampa 3D, un processo di getto di legante metallico, creato in collaborazione con partner esterni, sta contribuendo a rendere la stampa 3D automobilistica più economica e adatta all'uso in linea di produzione.

Mentre la stampa 3D per il settore automobilistico tradizionale utilizza un laser per costruire un componente strato per strato a partire da polvere metallica, il processo di binder jetting utilizza un adesivo. La parte metallica risultante viene quindi riscaldata e modellata.

I primi componenti realizzati con questo nuovo processo sono stati quelli per il montante A della Volkswagen T-Roc cabrio. Il loro peso è inferiore di quasi il 50% rispetto ai componenti convenzionali realizzati in lamiera d'acciaio. Questa riduzione rende il processo particolarmente interessante per le applicazioni di produzione automobilistica.

Le quattro applicazioni più comuni della stampa 3D per il settore automobilistico sono:

• PROTOTIPI

Che si tratti di semplici mock-up o di modelli in scala dettagliati, i prototipi rapidi sono una parte fondamentale dello sviluppo di un prodotto. Questi modelli concettuali in fase iniziale consentono agli ingegneri di vedere l'aspetto e la sensazione di un prodotto. Elementi cruciali in cui l'appeal visivo e l'esperienza del conducente sono fondamentali.

La prototipazione rapida offre anche l'opportunità di vedere come i diversi componenti si relazionano tra loro e di valutare se una parte funziona correttamente e soddisfa le specifiche di progetto.

Un tempo i prototipi venivano realizzati a mano o con l'ausilio di stampi che dovevano essere progettati e prodotti, spesso da un'azienda esterna. Tutto ciò era costoso e richiedeva molto tempo. 

La stampa 3D per il settore automobilistico accelera lo sviluppo del prodotto producendo iterazioni del progetto in una frazione di tempo rispetto alle tecniche di produzione tradizionali. Ciò consente di condurre un maggior numero di test nello stesso periodo o in un periodo più breve e aiuta a evidenziare prima i potenziali problemi.

Ad esempio, collocando un modello in scala in una galleria del vento per misurare le forze aerodinamiche create da un particolare progetto di veicolo. Vantaggi come questi consentono alle case automobilistiche di essere all'avanguardia in un mercato competitivo e veloce.   

• UTENSILI, MASCHERE E ATTREZZATURE

La creazione di utensili rapidi a basso costo e di ausili per la produzione è uno degli usi più comuni della stampa 3D automobilistica.   

Un'automobile contiene molte migliaia di componenti e sottoinsiemi separati. Il montaggio di ciascuno di questi componenti sul telaio del veicolo diventa molto più veloce, facile, sicuro e coerente grazie ad ausili di produzione come maschere, morsetti, attrezzature e dime.

La stampa 3D di questi strumenti in loco o nelle vicinanze consente di risparmiare tempo e denaro rispetto ai metodi di produzione tradizionali.

Inoltre, le stampanti 3D vengono impiegate per realizzare strumenti come gli stampi di termoformatura, utilizzati per formare lastre riscaldate di plastica estrusa. Si tratta di una tecnica comune per la produzione di imballaggi di forma per tutti i tipi di componenti.   

• PARTI DI PRODUZIONE

Esistono due categorie principali di parti di produzione stampate in 3D utilizzate nel settore automobilistico:

Rivestimento del veicolo, come cruscotti, telai dei sedili, pannelli di controllo, pezzi di rivestimento, prese d'aria e condotti di raffreddamento, dispositivi di illuminazione, coperture e accessori della console. Questi componenti sono tipicamente stampati in 3D utilizzando un materiale termoplastico o polimerico come ABS, nylon o resina.  
Le finiture dei veicoli rappresentano attualmente la maggior parte delle parti stampate in 3D presenti nei veicoli, poiché non sono legate alla sicurezza. Ciò rende relativamente semplice l'ottenimento dell'approvazione da parte degli enti normativi del settore automobilistico.

Tuttavia, queste parti sono spesso visibili al conducente e ai passeggeri e vi si interagisce frequentemente. Ciò richiede che siano non solo funzionali, ma anche esteticamente gradevoli.

Un vantaggio fondamentale della stampa 3D per il settore automobilistico è la facilità con cui è possibile produrre volumi molto bassi o addirittura pezzi unici, portando sul mercato di massa un'ampia gamma di opzioni di personalizzazione.

In passato, la produzione di pezzi su misura come la leva del cambio, il portachiavi, il sedile o il set di pedali era molto costosa e richiedeva molto tempo. Ciò significava che la personalizzazione era in gran parte riservata ai marchi di auto di lusso.

Grazie alla stampa 3D, elementi come questi possono essere personalizzati in modo semplice, rapido e conveniente per soddisfare le richieste specifiche di un acquirente.

Componenti meccanici come staffe di montaggio, alloggiamenti, quadrilateri delle sospensioni e componenti dei freni. A causa delle sollecitazioni meccaniche e termiche a cui sono sottoposti, questi componenti vengono solitamente stampati in 3D da un metallo come il titanio o una lega di alluminio.
Finora solo poche parti sono state approvate come sicure per la strada, poiché il processo di convalida dei componenti critici per la sicurezza è molto più rigoroso. Questo numero aumenterà man mano che la stampa 3D automobilistica diventerà una tecnologia più affidabile per i produttori e le autorità di regolamentazione.

• RICAMBI E RIPARAZIONI PER LA MANUTENZIONE

Garantire la disponibilità dei pezzi di ricambio è da tempo una sfida per l'industria automobilistica. Negli ultimi 130 anni sono state prodotte migliaia di marche e modelli diversi di automobili, dalle concept car a una sola cifra a quelle prodotte in serie a milioni. Ognuna di esse contiene decine di migliaia di componenti provenienti da catene di fornitura notoriamente complesse ed estese.

Avere il pezzo giusto nel posto giusto, con un ritardo minimo, porta ad accumulare grandi quantità nei magazzini con costi considerevoli. L'alternativa è la produzione su ordinazione con metodi di produzione tradizionali, che possono essere costosi e avere un lungo lead time (il periodo che intercorre tra l'ordine e la consegna).

Nel caso di auto rare o classiche, i pezzi di ricambio possono essere proibitivi o non disponibili. Le attrezzature originali o le specifiche di costruzione possono essere andate perse o i fornitori possono aver chiuso i battenti.

La velocità, la flessibilità e l'efficienza della stampa 3D per autoveicoli consentono di produrre pezzi di ricambio su richiesta in modo rapido ed economico. Inoltre, i file CAD digitali possono essere archiviati su server e scaricati semplicemente quando servono. Ciò contribuisce a ottimizzare i livelli di stock ed elimina la necessità di mantenere strutture di stoccaggio.  

Inoltre, i componenti difficili da reperire o obsoleti possono essere scansionati digitalmente e sottoposti a reverse engineering per essere stampati in 3D. Ciò comporta un notevole risparmio di tempo, costi e manodopera e spesso consente di ottenere componenti più leggeri con prestazioni superiori.

Per i collezionisti di auto d'epoca rare, la disponibilità di pezzi di ricambio può fare la differenza tra guidare un veicolo o essere costretti a tenerlo in magazzino. La rarità di questi veicoli fa sì che la richiesta di ricambi sia limitata e poco frequente.

In alcuni casi, i pezzi specifici vengono riprodotti utilizzando gli strumenti e le tecniche originali. Tuttavia, a volte sono necessari nuovi utensili. Investire il tempo e il denaro necessari per produrre nuovi utensili può essere difficile da giustificare a fronte di volumi di produzione così ridotti.  

Porsche Classic ha superato questa sfida utilizzando la stampa 3D per produrre parti rare che sono richieste solo in bassi volumi.

Ad esempio, la leva di rilascio della frizione della Porsche 959. Questo componente, realizzato in ghisa grigia, è soggetto a severi requisiti di qualità, ma è molto poco richiesto, anche perché sono stati prodotti meno di 300 esemplari di queste supersportive.

Questo rende il pezzo un candidato ideale per la produzione additiva di metallo. In effetti, Porsche sta attualmente producendo diverse parti di questo tipo con la stampa 3D, sia in acciaio e leghe che in plastica. 

Tutte le parti stampate in 3D sono rigorosamente ispezionate per garantire che soddisfino i requisiti di qualità del periodo di produzione originale come minimo, anche se di solito soddisfano standard più elevati. La precisione in termini di dimensioni e adattamento è garantita dall'esecuzione di test con il pezzo installato.

Porsche Classic sta attualmente testando se la stampa 3D è adatta a produrre altri 20 componenti. Secondo un portavoce, dato che la qualità della tecnologia continua a migliorare e i costi sono generalmente in diminuzione, questa forma di produzione rappresenta una reale "alternativa economica per la produzione di piccole quantità".

I miglioramenti nelle dimensioni delle stampanti industriali, la velocità di stampa e la maggiore flessibilità del design e dei materiali stanno contribuendo a rendere la stampa 3D per il settore automobilistico un metodo di produzione mainstream più praticabile. Ciò è particolarmente vero per i volumi di produzione medio-bassi di componenti di alto valore e geometricamente complessi.

Di conseguenza, stanno emergendo continuamente nuove applicazioni per la stampa 3D per il settore automobilistico. Alcune delle aree che si prevede vedranno una crescita sostanziale nei prossimi anni sono:

• MOBILITÀ VERDE

L'industria automobilistica, come ogni altro settore, è sottoposta a pressioni per diventare più sostenibile. Un chiaro vantaggio offerto dalla stampa 3D è l'alleggerimento, cioè l'utilizzo di parti più leggere per ridurre il peso totale di un veicolo e quindi ridurre il consumo di carburante senza compromettere le prestazioni o la sicurezza.

Secondo un'indicazione approssimativa, una riduzione di peso del 10% genera un miglioramento del 6% nell'efficienza del carburante. Per i veicoli elettrici, i miglioramenti in termini di risparmio di carburante possono essere ancora maggiori. Un risparmio di peso del 10% in un veicolo elettrico può aumentare l'autonomia di guida fino al 14%.

Le parti automobilistiche stampate in 3D eliminano anche le emissioni di carbonio inerenti alle catene di fornitura globali. I file CAD digitali possono essere inviati a una stampante 3D in qualsiasi parte del mondo con un semplice clic.   

Inoltre, le stampanti 3D generano uno spreco di materiale nettamente inferiore durante il processo di produzione rispetto alla lavorazione meccanica, che può portare via fino al 98% di un blocco di metallo.

• VEICOLI ELETTRICI

Strettamente allineato con l'industria automobilistica che diventa più sostenibile è il passaggio dal motore a combustione interna a sistemi di propulsione alternativi.

Ogni casa automobilistica internazionale ha introdotto o introdurrà presto una qualche forma di veicolo elettrico, dalle berline familiari ai concept futuristici, fino ai SUV e alle supercar. L'interesse dell'industria e dei consumatori sta accelerando a causa del fatto che molti Paesi e città hanno dichiarato di voler vietare la vendita di autovetture alimentate da combustibili fossili.

Le parti automobilistiche leggere stampate in 3D possono contribuire a compensare il peso aggiunto delle batterie e a ridurre il peso complessivo del veicolo. Ciò contribuisce ad aumentare l'autonomia di guida massima potenziale e a prolungare la durata delle batterie.

Inoltre, il fermento che circonda i veicoli elettrici ha visto la nascita di molti nuovi produttori di veicoli. Questi nuovi attori non produrranno presto auto di massa, ma hanno il vantaggio di non essere legati a processi produttivi vecchi di decenni e a catene di fornitura che si estendono in tutto il mondo.

La ricerca di metodi di produzione per volumi medio-bassi che siano agili, flessibili e scalabili li ha portati naturalmente alla tecnologia di stampa 3D per il settore automobilistico.

• AUTO STAMPATE IN 3D

Le auto completamente stampate in 3D che circolano sulle strade pubbliche potrebbero arrivare prima di quanto pensiamo. Diverse aziende stanno prendendo il concetto molto seriamente.

La californiana Divergent, ad esempio, mira a rivoluzionare la produzione automobilistica con i suoi nodi stampati in 3D collegati da tubi in fibra di carbonio. Il risultato è un telaio di resistenza industriale che può essere assemblato in pochi minuti. Il suo prototipo ingegneristico, Blade, è stato descritto come "la prima supercar al mondo stampata in 3D".

Utilizzando materiali leggeri per creare strutture complesse forti ed efficienti, Divergent cerca di ridurre gli utensili, i costi e i tempi associati alla produzione di automobili tradizionali, aumentando al contempo la sostenibilità e l'innovazione.

Il veicolo risultante potrebbe avere un costo proibitivo, ma la tecnologia e il pensiero che ne sono alla base potrebbero dare un impulso sostanziale alla produzione di auto più tradizionale, oltre a rivelarsi utili in altri campi come l'aerospaziale e l'esplorazione spaziale.    

Bentley Motors ha recentemente investito altri 3 milioni di sterline per raddoppiare la capacità di stampa 3D presso la sede centrale di Crewe, in Inghilterra, dove vengono costruiti tutti i modelli Bentley.

L'impianto high-tech è stato utilizzato per una serie di usi e ha prodotto più di 15.000 componenti solo nel 2021. Tra questi, strumenti assistiti sul posto di lavoro come blocchi di levigatura leggeri e attrezzature storicamente accurate necessarie per realizzare parti per il modello Blower Continuation di Bentley.

Inoltre, la stampa 3D automobilistica è stata impiegata per creare componenti fisici per diversi prototipi di Bentley, tra cui modelli di propulsori in scala reale e modelli aerodinamici per la galleria del vento.

Le tecniche avanzate sono state utilizzate anche per produrre parti per i modelli Bentley da record che sono stati guidati nell'impegnativa Pikes Peak Challenge in America. 

La significativa espansione della struttura vedrà il marchio di auto di lusso utilizzare la tecnologia di stampa 3D per creare componenti di veicoli a basso volume e offrire una personalizzazione ancora maggiore alle auto dei clienti.      

L'attrezzatura all'avanguardia installata consente un risparmio del 50% sui costi dei componenti e, grazie al funzionamento 24 ore su 24, l'impianto è in grado di produrre migliaia di componenti in oltre 25 opzioni di materiali diversi.

I dipendenti di tutta l'azienda stanno ricevendo una formazione per capire come trarre vantaggio dall'uso della stampa 3D nel loro lavoro, una forte indicazione di quanto la tecnologia stia diventando centrale per le operazioni di Bentley.

Un portavoce ha definito la stampa 3D automobilistica una "pietra miliare" dell'ambizione della "Dream Factory" di Bentley. Ha sottolineato che uno dei vantaggi principali della stampa 3D automobilistica è il miglioramento dell'efficienza che offre, riducendo i costi e la complessità di innumerevoli lavori.

 

• MANCANZA DI FAMILIARITÀ

Sebbene la sua diffusione sia in aumento, la stampa 3D per il settore automobilistico non è ancora onnipresente, sicuramente al di fuori della prototipazione e della costruzione di utensili. Il momento potrebbe arrivare, forse prima del previsto, ma per ora la tecnologia rimane secondaria rispetto ai metodi di produzione più convenzionali.

La complessità e gli standard rigorosi che caratterizzano la produzione di componenti automobilistici critici per la sicurezza fanno sì che la sostituzione di tecniche di lavorazione collaudate con qualcosa di nuovo comporti un livello di rischio che alcune aziende non sono in grado di affrontare.

• GRANDI VOLUMI

In molti casi, la stampa 3D automobilistica può produrre un singolo pezzo o un piccolo lotto di pezzi in modo più rapido ed efficiente rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Tuttavia, ogni macchina può stampare solo un certo numero di oggetti alla volta, a seconda delle dimensioni della macchina e dell'oggetto, quindi potrebbe non essere il metodo più adatto o conveniente per grandi produzioni.

• DIMENSIONE DEI PEZZI

Le stampanti 3D hanno vincoli dimensionali intrinseci che le rendono incapaci di produrre componenti di grandi dimensioni. In alcuni casi, è possibile unire più parti più piccole, anche se questa non è sempre la soluzione ideale.

I produttori di stampanti 3D stanno lavorando per risolvere i limiti dimensionali delle macchine esistenti, ad esempio eliminando le barriere presenti nelle tipiche camere di stampa.

• QUALITÀ INCOERENTE

Le stampanti 3D non sono ancora in grado di stampare sempre risultati perfetti. I tassi di fallimento dipendono dalla macchina, dal materiale utilizzato e dall'oggetto stampato. Inoltre, la rimozione di irregolarità superficiali o texture può richiedere ulteriori fasi di lavorazione manuale per ottenere la finitura desiderata.

Fattori come i tassi di fallimento e la post-elaborazione probabilmente si ridurranno con il miglioramento della tecnologia e la maggiore familiarità con la stampa 3D per il settore automobilistico.