What is Additive Manufacturing?

By Giovanna Matrone and Simone Bambagioni

English Version

The manufacturing process is currently living its fourth revolution: Industry 4.0.

Based on a wide range of new technologies combining physical, digital, and biological aspects, this means taking an enormous step forward compared to the previous revolutions mainly characterized by technological advancement. These new technologies are impacting all disciplines, economies, and industries, as well as challenging ideas about our conditions as humans.

The main characteristic of Industry 4.0 is the connectivity between machines, orders, employees, suppliers, and customers. This digital transformation – based on Internet-of-Things and electronic devices – impacts the entire value chain of the manufacturing process.

Within this revolution, some trends are receiving more attention and investments due to their high potential: Smart factory, Predictive maintenance, and 3D printing.

3D printing is a computer-controlled process serving object production by adding sequential layers of material (metal, plastic, composite).

The evolution of this technology, mostly used for prototyping of low volumes, is the Additive Manufacturing (AM) aimed to support a real serial production. This manufacturing process significantly differs from conventional subtractive methods, mainly based on removing material from a solid block.

AM offers significant advantages: production innovation can be accelerated, while product customization and functional integration can be reached quickly and at lower costs. This makes AM attractive for many companies to differentiate themselves on the market and reach sustainability targets. Indeed, AM becomes a fundamental step in transitioning from a linear to a circular economy, disrupting current supply chain in terms of design, materials, manufacturing, and products.

DESIGN

AM basically expands the scope of design to a wider range of factors, asking engineers for a real mindset change. Design for Additive Manufacturing (DfAM) is not just focused on the manufacturing step itself, but it also considers the material properties, part parameters, and postprocessing.

Even if more complex compared to the standard design for manufacturing, DfAM also brings a lot of new possibilities. Through the usage of advanced software tools for topology optimization and simulation, it is possible to create parts and components that are designed to serve a specific function, free from many limits of conventional manufacturing. Indeed, a material can be applied exactly where it is needed: with the usage of features such as lattices, material properties can be optimized according to the need of each area.

Thanks to DfAM, 3D printed parts can contain less material; this means a reduction of process lead-time, costs, and waste – as opposed to a conventional (subtractive) machining, where the more material is removed the more these factors grow – as well as part weight reduction, with potential benefits in terms of energy efficiency and carbon footprint.

MATERIALS

AM certainly opens to new scenarios in the field of materials. It offers the ability to manufacture with an ever-higher number of new materials, such as innovative composites or bio-based plastics, but it also raises new challenges while moving from a conventional production process to an additive one: in fact, finding a one-to-one alloy or polymer substitute for the original material is not guaranteed at all.

This offers the opportunity to reconsider the feedstock in terms of circularity, allowing, for example, the usage of recycled and renewable metal powders or polymers made from plant sources rather than crude oil.

As an additional benefit, the same material can be used to create highly complex geometries so that many pieces of an assembly can be joined into just one part. Besides a production process simplification, this kind of approach leads to get products with a lower number of sub-components and fasteners, thus making disassembly and material recapture much easier.

MANUFACTURING

The main advantage of 3D printing is that it is a digital manufacturing process.

While conventional manufacturing is typically located in a centralized place and needs temporary storage, as it is tied to large investments for tooling and infrastructure, producing a 3D printed part requires only the printer, material, and file.

This digital nature allows production to respond quickly and flexibly to the customer’s needs, even during a crisis or unexpected event, such as Covid-19 pandemic, becoming an on-demand manufacturing. There is no more need to size the production volumes based on predictions; physical inventory can be replaced by digital files and, producing just the quantity required, scrap can be drastically reduced.   

Furthermore, as digital files can be moved much easier than goods or people, AM can be also a distributed manufacturing, which means that parts can be 3D printed locally, close to where they are needed. In doing so, many shorter and more resilient supply chains can be created all over the world, with less shipping and therefore reducing CO2 emissions.

PRODUCTS

All the AM features mentioned above lead to spread better products on the market.

Indeed, standard products from conventional manufacturing are typically offered in certain configurations, such as sizes, colors, or settings, due to limitations in large-scale production. Increasing product variations to meet individual customer needs would mean having higher lead-time, costs, labor, and problems with inventory and waste.

With 3D printing, instead, product customization is done upstream on a digital basis – just modifying 3D data into the file that will be eventually transformed into a physical object – allowing to produce boundless product variants without additional investments in tooling.

As a result, customer-tailored products, both in terms of functionality and aesthetics, will most likely be even more durable, thus achieving the very first step of a circular economy.

In brief, AM is a new technology based on 3D printing for mass production. It gives the chance to reduce manufacturing time and tooling investment and, at the same time, increase the complexity of product geometry. With extensive use of decentralized economic systems, web-based information and, communication technologies, Additive Manufacturing is a key enabler for rethinking current production processes in terms of efficiency and sustainability in the transition towards a circular economy.

Main source: https://www.additivemanufacturing.media/additive-manufacturing-will-aid-and-accelerate-the-circular-economy/

Versione Italiana

L’Additive Manufacturing come leva per l’Economia Circolare

I processi produttivi stanno attualmente vivendo la loro quarta rivoluzione: l’Industria 4.0.

Basata su un’ampia gamma di nuove tecnologie capaci di combinare aspetti fisici, digitali e biologici,questa rivoluzione sta determinando una significativa trasformazione rispetto alle precedenti rivoluzioni caratterizzate principalmente dal progresso tecnologico. Queste nuove tecnologie, infatti, coinvolgono tutte le discipline, i contesti economici e i settori industriali, oltre a determinare nuove sfide per l’Uomo.

La caratteristica principale dell’Industria 4.0 è la connettività tra macchine, ordini, dipendenti, fornitori e clienti. Questa trasformazione digitale – principalmente basata sull’Internet-of-Things e su dispositivi elettronici – ha un impatto sull’intera catena del processo di produzione.

Nell’ambito di questa rivoluzione, alcune tecnologie stanno ricevendo particolare attenzione e investimenti per il loro alto potenziale nella creazione di valore: Smart factory, Manutenzione predittiva e Stampa 3D.

La Stampa 3D è un processo controllato da computer, atto alla produzione di oggetti tramite l’aggiunta di strati sequenziali di materiale (metallo, plastica, composito).

L’evoluzione di questa tecnologia, utilizzata principalmente per la prototipazione di bassi volumi, è l’Additive Manufacturing (AM) capace di supportare una vera e propria produzione in serie. Questo processo produttivo differisce notevolmente dai metodi sottrattivi convenzionali, basati principalmente sulla rimozione di materiale da un blocco solido.

L’AM offre così significativi vantaggi: l’innovazione produttiva può essere accelerata, mentre la personalizzazione del prodotto e l’integrazione funzionale possono essere raggiunte rapidamente e a costi inferiori. Questo rende l’AM attraente per molte aziende che vogliono differenziarsi sul mercato e raggiungere obiettivi di sostenibilità. L’AM diventa infatti un passaggio fondamentale nella transizione da un’economia lineare a una circolare, stravolgendo l’attuale catena di approvvigionamento in termini di design, materiali, produzione e prodotti.

DESIGN

L’AM espande sostanzialmente la portata del design ad una gamma più ampia di fattori, chiedendo agli ingegneri un vero e proprio cambio di mentalità. Il Design for Additive Manufacturing (DfAM) non si concentra solo sulla fase di produzione in sé, ma considera anche le proprietà dei materiali, i parametri delle parti e la post-elaborazione.

Anche se più complesso rispetto al design per una produzione standard, il DfAM offre anche molte nuove possibilità. Attraverso l’utilizzo di strumenti software avanzati per la simulazione e l’ottimizzazione della topologia, è possibile creare parti e componenti progettati per svolgere una specifica funzione, libera dai molti limiti legati ad una produzione convenzionale. Il materiale può quindi essere applicato esattamente dove è necessario: con l’uso di particolari caratteristiche come i reticoli, le proprietà del materiale possono essere ottimizzate in base alle esigenze di ciascuna area.

Grazie al DfAM, le parti stampate in 3D possono contenere meno materiale; questo significa una riduzione dei tempi, dei costi e degli scarti di processo – a differenza di una lavorazione convenzionale (sottrattiva), dove più materiale viene rimosso più questi fattori crescono – nonché una riduzione di peso, con potenziali benefici in termini di efficienza energetica e impronta di carbonio.

MATERIALI

L’AM apre sicuramente a nuovi scenari nel campo dei materiali. Offre la possibilità di produrre con un numero sempre maggiore di nuovi materiali, come compositi innovativi o bio-plastiche, ma pone anche nuove sfide nel passaggio da un processo produttivo convenzionale ad uno additivo: trovare infatti una lega o un polimero che possano sostituire uno-a-uno il materiale originale non è affatto scontato.

Questo offre la grande opportunità di riconsiderare la materia prima in termini di circolarità, consentendo, ad esempio, l’utilizzo di polveri metalliche riciclate e rinnovabili o di polimeri di origine vegetale anziché derivati dal petrolio.

Come ulteriore vantaggio, lo stesso materiale può essere utilizzato per creare geometrie altamente complesse, in modo che molti pezzi di un assieme possano essere uniti in una sola parte. Oltre ad una semplificazione del processo produttivo, questo tipo di approccio porta ad ottenere prodotti con un minor numero di sottocomponenti e fissaggi, rendendo così molto più facile lo smontaggio e il recupero del materiale.

PRODUZIONE

Il vantaggio principale della stampa 3D è che si tratta di un processo di produzione digitale.

Mentre la produzione convenzionale si svolge in genere in un luogo centralizzato e necessita di uno stoccaggio temporaneo delle parti, poiché è legata a grandi investimenti per attrezzature e infrastrutture, la produzione di una parte stampata in 3D richiede soltanto la stampante, il materiale e il file.

Questa natura digitale consente alla produzione di rispondere in modo rapido e flessibile alle esigenze del cliente, anche durante una crisi o un evento imprevisto, come la pandemia di Covid-19, diventando di fatto una produzione on-demand. Non è più necessario dimensionare i volumi di produzione in base a delle previsioni; l’inventario fisico può essere sostituito da file digitali e, producendo solo la quantità necessaria, gli scarti possono essere drasticamente ridotti.

Inoltre, poiché i file digitali possono essere spostati molto più facilmente di merci o persone, l’AM può diventare anche una produzione distribuita, il che significa che le parti possono essere stampate in 3D localmente, vicino a dove sono richieste. In tal modo, è possibile creare molte supply chains più corte e più resilienti in giro per il mondo, con meno spedizioni e, di conseguenza, minori emissioni di CO2.

PRODOTTI

Tutte le caratteristiche dell’AM sopra menzionate portano a diffondere prodotti migliori sul mercato.

In effetti, i prodotti standard da produzione convenzionale sono generalmente offerti in determinate configurazioni, come dimensioni, colori o impostazioni, a causa delle limitazioni di una produzione su larga scala. Incrementare le variazioni di prodotto per soddisfare le esigenze dei singoli clienti significherebbe anche aumentare tempi di consegna, costi e manodopera, nonché i problemi legati a magazzino e rifiuti.

Con la stampa 3D, invece, la personalizzazione del prodotto avviene a monte, su base digitale – semplicemente modificando i dati 3D nel file che verrà alla fine trasformato in un oggetto fisico – consentendo di produrre varianti di prodotto potenzialmente infinite, senza ulteriori investimenti in attrezzature.

Di conseguenza, prodotti costruiti “su misura” per il cliente, sia in termini di funzionalità che di estetica, saranno molto probabilmente anche più durevoli, realizzando così il primissimo passo di un’economia circolare.

In sintesi, l’AM è una nuova tecnologia basata sulla stampa 3D per la produzione di massa. Offre la possibilità di ridurre i tempi di produzione e l’investimento in attrezzature e, allo stesso tempo, aumentare la complessità delle geometrie di prodotto. Con un ampio uso di sistemi economici decentralizzati, informazioni basate sul web e tecnologie di comunicazione, l’Additive Manufacturing è un fattore chiave per ripensare gli attuali processi produttivi in termini di efficienza e sostenibilità nella transizione verso un’economia circolare.

Fonte principale: https://www.additivemanufacturing.media/additive-manufacturing-will-aid-and-accelerate-the-circular-economy/

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