In sintesi
Le aziende manifatturiere stanno utilizzando la produzione additiva per accelerare lo sviluppo prodotti, ridurre i tempi di lavorazione dell'attrezzaggio, supportare la produzione in piccoli volumi e realizzare ricambi su richiesta. Questa guida esplora le principali applicazioni, i vantaggi, le sfide, i materiali e le tecnologie che stanno plasmando la produzione additiva nel settore automobilistico, insieme a esempi concreti di come le aziende manifatturiere stanno mettendo in pratica la produzione additiva.
La produzione additiva (AM) nel settore automobilistico è il processo di creazione di componenti per veicoli mediante la stratificazione di materiali sulla base di modelli 3D digitali. Consente la prototipazione rapida, la produzione di geometrie complesse e la creazione di parti leggere che la produzione tradizionale non è in grado di realizzare. Questa tecnologia riduce lo spreco di materiale e accorcia le catene di approvvigionamento.
Nel settore automobilistico, la produzione additiva è presente in ogni fase del ciclo di vita di un veicolo: modelli concettuali, prototipi funzionali, attrezzature di produzione, attrezzi di produzione, parti di ricambio, componenti destinati all’uso finale. I materiali variano a seconda di ciò che si sta realizzando: termoplastiche tecniche, Fotopolimeri, materiali compositi, metalli.
La produzione tradizionale comporta solitamente l’uso di stampi, matrici o lavorazioni meccaniche prima di poter produrre qualsiasi cosa. La produzione additiva salta questa fase e realizza direttamente da un file digitale. È questo che la rende utile quando un progetto subisce modifiche dell’ultimo momento o quando servono parti su richiesta senza dover investire prima denaro nell’attrezzaggio.
Il vantaggio per le case automobilistiche sta proprio nel risparmio di tempo. La convalida del progetto può avvenire in una fase più precoce del processo. L'attrezzaggio, che prima richiedeva settimane, può essere pronto in pochi giorni. I componenti possono essere prodotti su richiesta, invece di dover attendere gli stampi, i pezzi fusi o il tempo di lavorazione dei fornitori.
General Motors ha ridotto il tempo di lavorazione per l’attrezzaggio della linea di assemblaggio da nove settimane a due, passando ad alternative realizzate con la produzione additiva. Karsan ha ridotto i costi di alcuni componenti fino all’80% semplicemente internalizzando la produzione. Anche Toyota, Subaru e NASCAR si affidano alla produzione additiva, non solo per gli stampi ma anche per i componenti di sviluppo e l’attrezzatura di assemblaggio.
Quindi, che il vostro obiettivo sia accelerare un lancio, ridurre i costi dell’attrezzaggio, supportare la produzione a basso volume o migliorare l’agilità, la produzione additiva è la soluzione.
Molti associano la produzione additiva alla prototipazione rapida, ma le aziende manifatturiere ora la utilizzano durante l’intero ciclo di vita del prodotto. Le stesse stampanti 3D che utilizzano per convalidare i progetti possono anche produrre attrezzature di produzione, parti per uso finale e ricambi.
Lavorando direttamente dal file digitale, vedrete ridursi i tempi di lavorazione e le difficoltà legate alla gestione di modifiche di progettazione dell’ultimo minuto. Questo approccio cambia anche il modo di concepire le scorte: invece di immagazzinare componenti che potrebbero servire solo occasionalmente, li stampate quando arriva l’ordine.
La produzione additiva è utilizzata in tutto il settore automobilistico per accelerare lo sviluppo prodotti, migliorare l’efficienza produttiva e supportare la produzione. Alcune delle applicazioni più comuni includono:
La prototipazione rapida rimane l’applicazione più comune della produzione additiva nel settore automobilistico. Gli ingegneri stampano modelli concettuali, prototipi di progettazione e parti funzionali direttamente dai file CAD, il che significa che un progetto può essere valutato, modificato e testato nuovamente senza dover attendere l’attrezzaggio o l’intervento di un fornitore esterno.
La prototipazione serve a rispondere a una domanda: se un componente si adatta, ha l’aspetto giusto o funziona come dovrebbe. La produzione additiva fornisce queste risposte in pochi giorni anziché in settimane, consentendo agli ingegneri di individuare i problemi e prendere decisioni in una fase più precoce del processo.
La riduzione del peso è solitamente in cima alla lista delle priorità. Un veicolo più leggero garantisce un minor consumo di carburante, una maggiore autonomia per i veicoli elettrici e prestazioni complessivamente migliori.
La produzione additiva (AM) offre agli ingegneri diverse soluzioni per raggiungere questo obiettivo: ottimizzare la geometria dei componenti, eliminare il materiale superfluo o combinare più componenti in un unico pezzo stampato. Inoltre, apre la strada a strutture reticolari interne che sarebbero difficili, se non impossibili, da realizzare con i metodi convenzionali di lavorazione meccanica o stampaggio.
I vantaggi non si limitano alle parti del veicolo. Le aziende manifatturiere stanno sostituendo l'attrezzaggio in metallo pesante con versioni più leggere in polimero, che sono più comode per gli operatori e sottopongono le attrezzature a minori sollecitazioni.
Per i programmi relativi ai veicoli elettrici, ogni grammo di riduzione di peso si traduce direttamente in una maggiore autonomia della batteria. La produzione additiva consente agli ingegneri di ottimizzare il design delle staffe e degli alloggiamenti per ottenere la massa minima senza compromettere l’integrità strutturale. Le tecnologie FDM e SAF di Stratasys supportano entrambe le termoplastiche di grado ingegneristico utilizzate negli alloggiamenti delle batterie dei veicoli elettrici, negli alloggiamenti dei motori e nei componenti strutturali interni.
Dispositivi di assemblaggio, dispositivi di controllo, dime di foratura, strumenti di fine braccio robotico: la maggior parte dell'attrezzatura di produzione utilizzata su una linea di prodotti può essere stampata in 3D. Rispetto alla lavorazione meccanica o all’esternalizzazione, ciò si traduce solitamente in un tempo di lavorazione misurato in giorni anziché in settimane e in un attrezzaggio facile da modificare non appena il progetto subisce variazioni.
Ecco alcuni esempi di come ciò si traduce nella pratica:
Ogni volta che un programma automobilistico richiede varianti, edizioni speciali o opzioni specifiche per il cliente, la produzione additiva tende a dimostrare il proprio valore. Ciò è particolarmente vero nelle categorie a basso volume come i veicoli di lusso, le auto da competizione, le concept car e le serie a tiratura limitata, dove i costi dell'attrezzaggio tradizionale sono difficili da giustificare rispetto al numero di unità prodotte.
Poiché i componenti derivano direttamente da un file digitale senza la necessità di nuovo attrezzaggio per ogni variante, le aziende manifatturiere possono realizzare componenti interni su misura, caratteristiche personalizzate, pacchetti di finiture in piccole serie e parti speciali in modo molto più efficiente rispetto a quanto consentito dai metodi convenzionali.
Anziché immagazzinare grandi quantità di parti per anni, le aziende manifatturiere possono tenere a disposizione un file digitale e stampare i ricambi solo quando sono necessari. Questo cambiamento è particolarmente importante per l’assistenza sul mercato secondario, i veicoli d’epoca e i programmi a bassa produzione, ovunque sia difficile prevedere la domanda, e consente di evitare i costi di Attrezzaggio necessari per un ciclo di produzione di piccole dimensioni.
Un esempio è il modo in cui Stratasys Direct Manufacturing ha contribuito al restauro dell’auto da corsa Sampson Special del 1930, riproducendo componenti obsoleti del radiatore utilizzando la tecnologia PolyJet™, senza la necessità di ricreare l’attrezzaggio originale.
La produzione additiva in metallo viene utilizzata nel settore automobilistico per strutture leggere, scambiatori di calore e componenti ad alte prestazioni con geometrie interne complesse.
Sebbene siamo conosciuti soprattutto per la produzione additiva con polimeri, offriamo anche soluzioni di produzione additiva in metallo grazie alla tecnologia MoldJet® di Tritone.
Tuttavia, quando si sente parlare di “metallo”, spesso si pensa alle parti di produzione metalliche. Ma molte aziende manifatturiere ottengono un valore aggiunto maggiore dalla sostituzione dell’attrezzaggio in metallo piuttosto che dalla sostituzione delle parti per uso finale. I sistemi di stampa 3D in polimeri Stratasys sono ampiamente utilizzati per sostituire l'attrezzaggio in metallo lavorato, ridurre il peso dell'attrezzaggio, produrre utensili per la formatura della lamiera e creare parti in polimero placcate in metallo laddove siano richiesti un aspetto metallico, schermatura EMI o specifiche proprietà superficiali.
La produzione additiva apporta valore aggiunto lungo l’intero ciclo di vita dei prodotti automobilistici, aiutando le aziende manifatturiere ad accelerare lo sviluppo, migliorare l’efficienza produttiva, ridurre i costi e creare catene di approvvigionamento più resilienti.
La produzione additiva accorcia la distanza tra un'idea e un componente fisico. Gli ingegneri possono testare i concetti, convalidare i progetti e apportare modifiche senza rimanere bloccati in attesa dell'attrezzaggio o dei tempi di lavorazione dei fornitori. General Motors ha ridotto i tempi di lavorazione da nove settimane a due dopo essere passata alla Stampa 3D.
La produzione tradizionale tende a funzionare per sottrazione, asportando materiale tramite lavorazione, taglio e rifilatura. La produzione additiva funziona in modo opposto, costruendo solo ciò di cui il componente ha effettivamente bisogno.
Questo aspetto è fondamentale soprattutto nel caso di geometrie complesse e piccoli cicli di produzione, dove gli scarti derivanti dai metodi convenzionali si accumulano rapidamente. I processi basati sulla polvere vanno ancora oltre, poiché il materiale inutilizzato può spesso essere recuperato e riutilizzato. SAF™ ReLife™ PA12 ne è un ottimo esempio.
Parte del vantaggio energetico della produzione additiva deriva dalla semplificazione del processo stesso: meno attrezzaggio, meno fasi di assemblaggio e la possibilità di produrre i componenti più vicino al luogo in cui verranno effettivamente utilizzati. Anche il software svolge un ruolo importante, ottimizzando l’orientamento della costruzione e le strutture di supporto in modo da ridurre lo spreco di materiale e le ristampe.
Se si sommano la riduzione dei trasporti, dello stoccaggio, dell'attrezzaggio e delle inefficienze nel volume di stampa stesso, si ottiene un risparmio energetico concreto.
I pezzi di ricambio di solito richiedono spazio di magazzino, e molto. La produzione additiva (AM) offre un modello diverso: conservare il progetto come file digitale e stampare il pezzo solo quando è effettivamente necessario.
Ciò riduce lo spazio di stoccaggio, diminuisce il rischio che i pezzi diventino obsoleti sugli scaffali e rende molto più facile fornire assistenza per veicoli di vecchia generazione o prodotti in serie limitate. Il restauro della Sampson Special ne è un ottimo esempio: Stratasys Direct Manufacturing ha riprodotto parti obsolete del radiatore per l’auto da corsa del 1930, invece di effettuare l’attrezzaggio da zero.
La produzione additiva può ridurre i costi eliminando l'attrezzaggio, abbreviando i cicli di sviluppo, riducendo le esigenze di magazzino e consentendo flussi di lavoro di produzione più efficienti.
I risparmi possono essere notevoli. Ad esempio:
La produzione additiva si è guadagnata un posto di rilievo nella produzione automobilistica, ma non sostituisce in modo universale i metodi tradizionali. Come ogni processo, ha un punto di equilibrio, e sapere dove si trova è importante tanto quanto conoscere le sue potenzialità.
A volumi elevati, lo stampaggio a iniezione e lo stampaggio a stampo sono ancora difficili da battere in termini di costi. Una volta realizzato l’attrezzaggio, il costo per pezzo scende notevolmente e rimane basso. La produzione additiva è più indicata all’altra estremità dello spettro: prototipazione, attrezzaggio, pezzi di ricambio e lotti a basso volume, dove l’investimento iniziale per l’attrezzaggio è difficile da giustificare.
[H3] Velocità di stampa e produttività
Sebbene le tecnologie di produzione additiva continuino a migliorare, la produzione di migliaia o milioni di pezzi identici è ancora più veloce con molti processi di produzione convenzionali. La produzione additiva viene spesso utilizzata laddove la flessibilità, la rapidità di immissione sul mercato o la libertà di progettazione sono più importanti del volume massimo di produzione.
Ogni componente di un veicolo deve superare rigorosi standard di qualità e prestazioni, e i componenti realizzati con la produzione additiva non fanno eccezione. Man mano che la produzione additiva si affaccia nella produzione, esistono processi come il Production Part Approval Process (PPAP) per confermare che un componente stampato soddisfi effettivamente gli standard ingegneristici previsti.
Il PPAP verifica che un processo di produzione sia in grado di realizzare in modo coerente componenti conformi alle specifiche tecniche. Per i componenti realizzati con la produzione additiva, ciò significa documentare le proprietà dei materiali, la precisione dimensionale e la ripetibilità del processo nel corso dei cicli di produzione. Stratasys Direct supporta flussi di lavoro PPAP completi per componenti stampati in 3D destinati alla produzione.
I materiali continuano a migliorare, ma non esiste ancora un unico materiale per la produzione additiva che sia adatto a tutto. Resistenza meccanica, resistenza termica, durata, resistenza chimica, finitura delle superfici: gli ingegneri devono valutare tutti questi aspetti prima di scegliere un materiale. La scelta del materiale giusto finisce per essere importante tanto quanto quella del processo giusto.
Stratasys supporta l'intero ciclo di vita dei prodotti automobilistici, dallo sviluppo del concept alla prototipazione rapida, all'attrezzaggio per la produzione, alle parti per uso finale e ai servizi di produzione.
I team di progettazione ricorrono alla tecnologia PolyJet™ e alla Stereolitografia Neo® quando i modelli concettuali e i prototipi devono avere l’aspetto e le dimensioni corretti, dettagli precisi, una finitura delle superfici pulita e un’elevata precisione dimensionale. Ciò li rende la scelta ideale per le revisioni di progetto, i test aerodinamici, gli studi di adattamento e forma e la validazione funzionale.
La tecnologia FDM® è ampiamente utilizzata nel reparto di produzione per la realizzazione di maschere, dime, calibri, dime di foratura, strumenti di fine braccio robotico e strumenti per la formatura della lamiera. Le termoplastiche tecniche conferiscono a questi utensili resistenza e durata sufficienti per sopportare l’uso quotidiano, riducendo al contempo il tempo di lavorazione e i costi di produzione.
La tecnologia SAF® è progettata per la realizzazione di parti in polimero ripetibili e di qualità produttiva, il che la rende particolarmente adatta alla produzione ponte, ai pezzi di ricambio e alle tirature a basso volume in cui l’attrezzaggio tradizionale non è economicamente conveniente.
Quando un componente deve avvicinarsi alla qualità dello stampaggio a iniezione, la tecnologia P3™ DLP è spesso la soluzione ideale. L’elevata precisione, l’ottima finitura delle superfici e le proprietà meccaniche costanti la rendono una scelta comune per prototipi funzionali, attrezzature di produzione e parti di produzione in piccole serie.
Non tutte le aziende manifatturiere hanno bisogno di investire in attrezzature per la produzione additiva. Stratasys Direct® offre servizi di produzione su richiesta, consentendo alle aziende del settore automobilistico di accedere a un’ampia gamma di tecnologie di produzione additiva, materiali, servizi di finitura e flussi di lavoro supportati da PPAP per applicazioni di produzione.
