Associazione Italiana di Prototipazione Rapida   

La Produzione Rapida, o Rapid Manufacturing (RM), non è sempre applicata come le tecnologie odierne rendono possibile. Le potenzialità offerte dal RM permettendo ai progettisti ogni libertà di forma, svincolandoli dai limiti imposti dalle tecnologie tradizionali. Ad esempio componenti in plastica prodotti per RM, a differenza di quelli stampati, possono avere spessori di parete non uniformi, sottosquadri e spigoli vivi, pareti senza spoglia, fori di ogni forma e dimensione; dal punto di vista estetico non ci sono segni di linee di divisione e di estrattori sulla superficie.

Nell'articolo viene evidenziato come la riprogettazione di un componente, precedentemente prodotto con gli stampi a iniezione, esalti le potenzialità della produzione rapida in termine di riduzione dei costi di progettazione/produzione

Il caso di studio

I criteri per la scelta dell'oggetto di studio sono basati sulle seguenti considerazioni:

• il componente deve essere tradizionalmente realizzato mediante stampaggio a iniezione,  di geometria complessa e costituito da più parti. In tal modo si sfrutta la capacità delle macchine di produzione rapida di costruire parti senza vincoli di forma e direttamente assemblate;
• le dimensioni del componente devono essere contenute, per poter riempire al meglio il volume di lavoro del sinterizzatore (SLS);
• il volume produttivo del componente deve essere medio-alto.

Sulla base di queste considerazioni è stato un supporto per una lampada a fluorescenza Figura 1.a di dimensioni 15.3 × 19.5 × 28.2 mm. Consta di tre parti: la basetta isolante (A), il portalampada rotante (B) e il coperchio del vano contatti elettrici (C). Mediante il tradizionale stampaggio a iniezione i tre componenti sono realizzati separatamente e poi assemblati nel montaggio finale.

Il supporto per neon è stato dunque riprogettato e adattato per la produzione mediante tecnologia additiva preservando le sue funzionalità. Il componente riprogettato non varia nelle dimensioni di ingombro, mentre sono state adottate delle modifiche per trasformarlo in un elemento unico (figura 1.b). Il coperchio, necessario per l'inserimento dei contatti elettrici, è stato ridotto in dimensioni e connesso superiormente alla basetta isolante per mezzo di una cerniera. Tale modifica ha permesso di aumentare la rigidezza della parte inferiore del supporto. Il portalampada rotante è stato semplificato e integrato nella basetta; la scanalatura circonferenziale ne permette la rotazione impedendo lo sfilamento. È infatti possibile realizzare con tecniche SLS cerniere e accoppiamenti rotanti avendo semplicemente cura di dimensionare opportunamente i giochi. 

Costi a confronto

I costi dello stampaggio a iniezione possono essere visti come la somma di quattro termini: costo del materiale, costo dello stampo, costo orario della pressa e costo della manodopera. La ripartizione del costo dello stampo sul costo del pezzo è determinata dal volume produttivo e dal tempo di ammortamento. Il costo della manodopera è a sua volta influenzato dal livello di automazione e dalla zona geografica in cui si attua la produzione. In questo studio si è deciso di considerare un livello medio di automazione e una produzione in ambito europeo.

Sul mercato sono presenti diverse macchine per la sinterizzazione laser selettiva (SLS), caratterizzate da diversi volumi di lavoro e prestazioni. La valutazione economica è stata stilata sulla base di due modelli di sinterizzatore EOS: P390, con volume di lavoro di (340 × 340 × 620)mm³ e P730, con volume (730 × 380 × 580)mm³.

In questa analisi si considera che l'intero volume della macchina sia impiegato per la produzione di copie dello stesso componente. In tal modo si può ripartire sul singolo pezzo prodotto il costo del job, che risulta dal prodotto del tempo del processo - stimato dal software della macchina -  per il costo orario della macchina. Il costo della manodopera tiene conto delle procedure di preparazione della macchina  e delle operazioni di post-processamento.

I  risultati dell'analisi economica della produzione tradizionale e del rapid manufacturing permettono di individuare il punto di pareggio tra le due tecnologie.

L'istogramma in Figura 2.a mostra l'influenza delle singole voci di costo considerate nel modello sul costo finale dell'assemblato prodotto per stampaggio a iniezione. Si nota che la quota parte dello stampo è il termine che incide maggiormente sul costo del prodotto; il contributo degli altri termini varia tra il 2 e il 7% in funzione del volume produttivo. Il costo del prodotto diminuisce rapidamente con l'aumentare dei pezzi stampati e, dal momento che il costo dello stampo è generalmente elevato, il processo risulta conveniente solo per elevate produzioni.

L'istogramma in Figura 2.b mostra invece il contributo dei costi del materiale, della manodopera e della macchina sul costo del prodotto sinterizzato, sia per la P390 che per la P730. Si osserva che più del 50% del costo totale è imputabile alla ripartizione del costo macchina sul componente.

Il grafico in Figura 3 mostra infine il confronto dei costi del componente prodotto con le due tecnologie considerate. Il punto di pareggio stimato è di circa 93.000 pezzi nel caso della P390, mentre si riduce a 78.000 pezzi quando si sceglie la P730. Tale differenza è dovuta al maggior costo di questa macchina, che ovviamente si traduce in un maggior costo del componente prodotto.

In sintesi nella produzione rapida la maggior parte del costo del componente è attribuibile al costo della macchina; è logico aspettarsi che la diffusione delle nuove tecnologie porti alla riduzione dei costi d'investimento e quindi, per conseguenza, dei costi dei prodotti. Il punto di pareggio nei prossimi anni si dovrebbe quindi spostare verso produzioni più elevate. Attualmente il RM in alcuni settori è già una realtà produttiva, per la libertà di progettazione e per la riduzione dei tempi e costi. Questo studio dimostra che oggi è competitivo nei confronti dello stampaggio a iniezione anche per medie produzioni (lotti fino a 80.000 pezzi).

Ulteriori vantaggi sono la possibilità di produrre i componenti immediatamente (non si devono produrre attrezzature),  riducendo così al minimo il lead time e la possibilità di far lavorare le macchine senza presidio. Inoltre i pezzi realizzati sono già assemblati, per cui non c'è ragione di spostare la produzione verso Paesi dove sono bassi i costi della manodopera. La convenienza è evidente soprattutto per particolari di geometria complessa.

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