La stampa 3D per la manutenzione

Lug 04, 2017
 

Negli ultimi anni la produzione additiva, conosciuta più comunemente come stampa 3D, si sta diffondendo rapidamente anche nel mondo industriale per molteplici settori applicativi.

Mentre il suo utilizzo diffuso per la produzione di piccoli lotti è ancora agli inizi, le stampanti 3D sono sempre più presenti come strumento operativo di fabbrica non solo per la prototipazione estetica e funzionale, ma anche per la creazione di parti di ricambio nel settore automobilistico, aerospaziale, medico e nei beni di consumo.

Questa tecnologia consente infatti ai responsabili della manutenzione di ridurre in modo significativo i costi di inventario e di estendere la vita utile di impianti e macchinari obsoleti grazie alla realizzazione di parti di ricambio on-demand, soprattutto per pezzi a bassa rotazione, non più disponibili dal produttore originale o con tempi di consegna troppo lunghi.

Invece di sostituire un’intera macchina di cui non sono più disponibili i ricambi, è quindi possibile stampare in 3D la parte rotta o usurata usando un materiale simile o anche più robusto, estendendo così  la durata della vita utile e posticipando la sostituzione completa.

La scelta dei materiali reperibili sul mercato diventa ogni giorno più ampia, in termini sia di costi sia di caratteristiche prestazionali: è quindi possibile decidere se realizzare soluzioni-tampone usa e getta o parti che possano avere durata e proprietà meccaniche uguali o migliori delle parti originali.

Questo consente, per esempio, di realizzare soluzioni di emergenza in attesa di ricambi originali, che possono avere lunghi tempi di consegna (come succede per esempio nel caso di cantieri nel terzo mondo), ma anche di costruire parti più robuste di quelle originali o creare accessori non previsti dal costruttore, per abilitare macchine e impianti a nuovi utilizzi, come nel caso di ri-attrezzaggio di una catena di produzione.


Ulteriori vantaggi della stampa 3D per la gestione della manutenzione

Se mantenute correttamente, le attrezzature di uno stabilimento di produzione possono operare per molti anni. Ma inevitabilmente una macchina diventa obsoleta e le parti di ricambio possono essere difficili da trovare o troppo costose da ordinare. Mantenere in funzione più a lungo un cespite vecchio realizzando le parti da sostituire con la stampa 3D può quindi portare notevoli risparmi. Ma questo è solo un significativo esempio: ci sono infatti molti altri modi di utilizzare la stampa additiva per migliorare la gestione dei processi di  manutenzione.

Ridurre i costi di magazzino delle parti di ricambio. Mantenere uno stock di parti di ricambio è oneroso. Talvolta le aziende hanno bisogno di mantenere pochi costosi ricambi a portata di mano per evitare tempi di inattività di una macchina. Questo vale sia per i magazzini parti di ricambio dei fornitori che per le scorte presso gli utenti. Le parti di questo tipo sono perfetti candidati per la stampa 3D, che è una grande opportunità per creare oggetti con valore elevato, ma in piccole quantità. Infatti, la complessità del design non ha importanza nella stampa 3D.

Ridurre i costi di montaggio. Generalmente, una parte stampata complessa è più economica da produrre mediante stampa 3D rispetto a una tradizionale macchina CNC. Ciò è dovuto al fatto che alcune parti vengono tagliate nel metallo e assemblate in seguito, mentre con le stampanti 3D si possono creare parti complesse con una sola operazione.

Casi particolari, ma di notevole interesse, sono rappresentati dalle parti di ricambio di mezzi di trasporto storici (auto, moto, treni, aerei, navi), di macchine da lavoro (macchine agricole, movimento-terra, sollevamento, robot, droni) e di strumenti di laboratorio.

Ricordiamo anche che, se la parte può essere ottenuta solamente per fusione, con la stampa 3D si possono produrre gli stampi, in silicone, plastica o metallo. In ogni caso è comunque sempre opportuno considerare l’alternativa di esternalizzare la stampa 3D di parti a centri servizi esterni rispetto all’acquisto ed all’utilizzo di stampanti “inside”. Costo della macchina (funzione del materiale, della tecnologia utilizzata e delle dimensioni dell’oggetto) e volumi di stampa sono i fattori chiave.


I costi della stampa 3D

La stampa 3D offre i vantaggi che abbiamo illustrato nel campo della manutenzione, ma comporta anche costi non trascurabili.

Le macchine professionali e industriali per la produzione additiva che si possono utilizzare per la produzione di parti di ricambio possono costare da qualche migliaio a qualche milione di euro, e anche i prezzi dei materiali plastici e delle polveri metalliche sono sostenuti. In particolare, i prezzi delle stampanti per filamenti termo-plastici e foto-polimeri partono da meno di 5.000 euro per arrivare a 500.000 euro, mentre le stampanti per metalli costano da 100.000 euro a oltre 1 milione. Gli scanner 3D per il reverse Engineering costano da 5.000 a 50.000 euro. I materiali costano da 30 a 300 e più euro/Kg.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni e con diverse funzionalità, dai modelli desktop fino a macchine a livello di produzione che possono creare oggetti di grandi dimensioni e pesano alcune tonnellate.

Gli scanner fissi o a pistola utilizzano laser o altri tipi di luce per catturare la dimensione e la forma di un oggetto. I dati vengono trattati tramite software CAD per creare un modello digitale, che può essere utilizzato per produrre le copie delle parti da sostituire.

Per creare gli oggetti si possono utilizzare materie plastiche, metalli, gomme, fibre di carbonio o anche ceramiche e vetro. I materiali utilizzati determinano la robustezza e la resistenza alla temperatura e agli agenti chimici del prodotto finale.

Se si decide di utilizzare queste tecnologie nel post-vendita è importante verificarne preventivamente potenzialità e criticità e valutare i miglioramenti dei propri processi di manutenzione ed i relativi vantaggi competitivi. Ciò è possibile per ogni azienda, di qualsiasi dimensione, che può infatti testare queste innovazioni  esternalizzando, in una prima fase, a centri servizi e Fablab professionali la realizzazione di campioni  e piccoli lotti di parti.

È importante anche capire che il sistema di produzione additiva è costituito non solo da una stampante, ma anche da software, scanner, materiali e servizi on-demand, e richiede competenze di CAD e di modellazione. E’ quindi una “soluzione completa” che si inserisce nei  piani di manutenzione.

Le aziende possono  portare tutto il processo in-house, o in alternativa, poiché raramente gli utilizzatori sono in possesso dei file CAD di tutti i componenti delle loro macchine, un team di manutenzione puo’ inizialmente dotarsi di un dispositivo di scansione per creare file CAD di componenti importanti, per poterli fare poi stampare su richiesta da un service esterno. Questo è un modo semplice e a basso rischio per provare la tecnologia e valutare pro e contro della produzione additiva nello specifico contesto aziendale.


Stampa 3D e CMMS

I sistemi computerizzati di gestione della manutenzione (CMMS – Computerized Maintenance Management System) aiutano le organizzazioni a tenere traccia della manutenzione delle loro attività e dei costi associati al lavoro, con l’obiettivo finale di prolungare la durata di vita di un asset a costi minimi, e sono strettamente correlati agli Enterprise Asset Management (EAM) che sovrintendono a tutte le attività dell’organizzazione, incluse le immobilizzazioni, le risorse IT e le attività digitali. L’obiettivo dei CMMS è quello di prolungare la durata della vita fisica degli asset, di minimizzare i costi di manutenzione e aumentare la sicurezza del lavoro diminuendo gli incidenti provocati dai malfunzionamenti di macchine e impianti. Molti CMMS possono integrarsi con programmi CAD o archiviare i file CAD per un utilizzo successivo, nonché aiutare a gestire l’inventario delle parti di ricambio. Questo permette di agire in sinergia con le stampanti 3D, che richiedono i modelli CAD delle parti da produrre.


Manutenzione preventiva, predittiva e proattiva

Le tecnologia di manutenzione preventiva, predittiva e proattiva offrono un modo semplice per diminuire i fermi macchina utilizzando modelli statistici, analisi della storia precedente e più sensori interni o esterni alle macchine, il sistema CMMS può ricevere e interpretare i dati di stato di un’attività per prevedere eventuali guasti in tempo reale. Esistono diversi metodi di monitoraggio, come la termografia a infrarossi, i test di lubrificazione, l’analisi dell’ecografia e l’analisi delle vibrazioni. Questi metodi possono rivelare i possibili guasti in diversi tipi di macchine e sono comunemente utilizzati dai team di manutenzione per risolvere i problemi prima di causare costosi tempi di fermo.

Quando si verificano condizioni definite, i CMMS possono generare automaticamente un ordine di lavoro e informare i tecnici per eseguire le riparazioni preventive.

Poiché uno dei punti deboli delle stampanti 3D sono i lunghi tempi di produzione, che possono andare da qualche ora a qualche giorno, il collegamento con sistemi di manutenzione programmata e predittiva, può aiutare a programmare il lavoro delle stampanti 3D, presso centri servizi esterni o interni, per produrre on-demand i ricambi prima che si verifichino i guasti nelle macchine operative nel field.

 

Giancarlo Magnaghi
Direttore tecnico Cherry Consulting by Studio Magnaghi

 

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