Sostenibilità 4.0: sarà l’Additive Manufacturing a farla?*

*Primo di due articoli scritto con Greta D’Angelo, PhD

“Sostenibilità” rischia di diventare l’ultima parola di moda nel mondo degli affari se non diventerà presto un modo molto pratico di gestire l’impresa e trasformare interi cicli di produzione. Tanto nobile concetto deve perciò essere ampiamente implementato e contribuire a cambiare radicalmente il modo in cui progettiamo, produciamo, usiamo e ricicliamo le cose. Per raggiungere tali obiettivi, la Sostenibilità dev’essere integrata in ogni processo industriale. Ciò significa che deve accompagnarsi con l’evoluzione tecnologica, contribuendo a indirizzarla nella giusta direzione.

D’altro canto, la molto “trendy” Rivoluzione Industriale 4.0 non sarà affatto una rivoluzione se non integrerà la Sostenibilità nei suoi elementi strategici essenziali. In tal malaugurato caso ci troveremmo al massimo con “ancor più Industria 2.0” e nulla più. La Sostenibilità, come i nostri lettori sanno bene, poggia su tre elementi: tutela dell’ambiente, prosperità economica e creazione di valore sociale. Pertanto cercheremo in questi articoli d’identificare questi elementi in una tipica tecnologia dell’Industria 4.0: l’Additive Manufacturing (AM). Il nostro scopo è d’indirizzare i futuri sviluppi di tale tecnologia nella direzione giusta per aumentare la Sostenibilità delle produzioni e aiutare le imprese a focalizzare i loro investimenti verso il nuovo paradigma industriale nascente.

Negli anni recenti si è parlato molto di questa tecnologia emergente, più comunemente conosciuta come “stampa 3D”. Si considera che essa possa divenire una tecnologia chiave del futuro e rappresenta certamente uno dei macro trends dell’Industria 4.0. Mentre il suo potenziale si svela e

la tecnologia continua a svilupparsi, è fondamentale identificare e comprendere i suoi principali impatti per poter cogliere il potenziale dell’AM di contribuire a più sostenibili processi produttivi. Come l’AM lo farà non è ancora chiaro: molti studi si focalizzano sul consumo di materiali ed energia, ma non danno una chiara indicazione sull’intero ciclo di vita dei prodotti. Tuttavia, l’AM offre alcuni benefici in termini di efficienza nell’uso di risorse i quali, sommati ad alcune peculiarità nella progettazione e produzione degli oggetti portatori di migliori performance, generano vantaggi economici e ambientali.

Lasciamo per ora in disparte la creazione di valore sociale, che attiene più al complesso del sistema economico e del modello di business che non alla

singola tecnologia. Il focus di questi articoli sarà pertanto sull’impatto economico e ambientale. La domanda che ci porremo sarà se l’AM migliora la performance di un processo produttivo, per esempio riducendo gli scarti o il consumo di energia, e i risultati economici di un’industria, con la generazione di maggior ricchezza.

Quando si tratta di Additive Manufacturing e Sostenibilità vi sono tre fattori principali da mettere in conto:

1. Ilprodotto in sé, dalla progettazione alle prestazioni
2. Il processo produttivo, con il bilancio di input-output

• La supply chain, dall’ordine del prodotto alla consegna

Siamo consapevoli che tale suddivisione sia un po’ artificiosa e che non sia possibile trattare gli argomenti in modo totalmente separato, come ad esempio il prodotto dal suo processo produttivo. Ciononostante, preferiamo approcciare il tema in questo modo per ragioni di chiarezza. Vi saranno alcune sovrapposizioni che il lettore speriamo perdonerà. I primi due punti saranno discussi in questa I Parte, mentre nella II Parte si tratterà l’ultimo punto, congiuntamente a una visione d’insieme dei modelli di business potenziali per l’integrazione dell’AM nelle produzioni.

1. Il Prodotto
   • È oggi largamente accettato che la progettazione di un prodotto debba tener in conto molti diversi fattori e stakeholders. Il design impatta su tutta la catena del valore. In ragione della sua natura additiva, la capacità combinata dell’AM di realizzare oggetti più complessi con funzioni integrate, la tendenza a usare meno parti e a implicare meno stadi produttivi possono ridurre i flussi di materiali impiegati e conseguentemente l’impatto ambientale dei prodotti.
   • Gli elementi indicati nel punto precedente portano a una riduzione dei costi e a un incremento del valore economico generato a parità di oggetto prodotto, cioè senza tener conto della possibilità di produrre design più efficienti offerta dalla tecnologia AM. Tali miglioramenti sono naturalmente ancor più significativi quando il design è ottimizzato per la
   • La capacità di ottimizzare le geometrie e produrre componenti di peso ridotto riduce anch’essa il consumo di materiali incrementando la riduzione dei flussi di materiali e di costi descritta nei punti precedenti.
   • La progettazione funzionale consentita da questa tipologia di processo può generare migliori performance del prodotto. Per esempio, un recente studio della Technical University of Denmark pubblicato da Nature, dimostra che strutture ispirate a quella ossea applicate alle ali di aereo possono portare a migliori qualità meccaniche e ridurre il consumo di carburante fino a 200 tonnellate all’anno.
   • La natura additiva e l’emergere di processi ibridi (additivo + sottrattivo), per esempio il Lasertec 65 3D hybrid di DMG MORI, incoraggiano l’applicazione dell’AM per processi di riparazione. Questo migliora l’impatto ambientale dei prodotti estendendone il ciclo vitale e diminuendo l’energia e le risorse necessarie alla realizzazione di un prodotto nuovo.
   • La possibilità di soddisfare le esigenze specifiche del cliente con produzioni singole a costi competitivi permette di fornire eccellenti customer-experiences e prestazioni, pur mantenendo le riduzioni di costo sopra descritte. Per esempio, un assortimento completo di parti di ricambio di macchinari in località remote sarebbe intollerabilmente costoso, ma la possibilità di produrre in AM le parti necessarie al momento del bisogno comporta enormi vantaggi, se non addirittura possibilità negate prima della nascita di questa tecnologia. Gli stessi vantaggi presenta la produzione di oggetti specificamente personalizzati per contesti o clienti estremamente particolari a un costo ragionevole, cosa impensabile con altri processi produttivi, per esempio nel caso di protesi o impianti chirurgici.
2. Il processo produttivo:
   • In AM sono usati unavarietà di materiali, dai polimeri ai metalli, la cui forma dipende dal tipo di processo utilizzato. La maggioranza dei polimeri può essere riciclata; per esempio parti prodotte mediante Fused Deposition Modelling (FDM) possono essere nuovamente fuse e trasformate in nuovi filamenti usando un convertitore scrap-to-filament. Per i metalli, invece, si stima che il 90 to 95 per cento delle polveri avanzate durante un processo possa essere riutilizzato in processi successivi.
   • L’AM, con la sua grande flessibilità di utilizzo,permette di affrontare uno dei maggiori problemi della contemporaneità: i rifiuti di plastica negli oceani e nelle discariche. Molte aziende, Adidas per dirne una, hanno cominciato a promuovere iniziative per trasformarli in nuovi prodotti. Tra le altre iniziative Reflow e 3D-reprinter.
   • Tra tutti questi aspetti positivi dell’AM in relazione alla Sostenibilità, va menzionato che i rischi ambientali e tossicologici posti da alcuni dei materiali utilizzati in questa tecnologia necessitano di ulteriori ricerche e non sono al momento sufficientemente conosciuti. Alcuni studi evidenziano l’emissione di particelle nocive durante la fusione di ABS, nelle stampanti da tavolo FDM. Le resine liquide sono pure notoriamente leggermente tossiche e ne è scoraggiato l‘uso in ambienti non ventilati.
   • Come conseguenza dei punti 1.3 e 1.4, così come nella progettazione di oggetti multi-componente, un processo di assemblaggio più semplice comporta una riduzione dei costi e del rischio qualitativo nell’assemblaggio stesso dei diversi componenti. È anche
     da considerare un possibile vantaggio ambientale dovuto alla riduzione di peso e di volume dei prodotti dovuti a un miglior rapporto robustezza-peso. Ciò può darsi si rifletta in misura minima sul prodotto in sé, ma i suoi effetti sulla prestazione dell’oggetto lungo la catena del valore che sono discussi in altra parte dell’articolo possono essere significativi (si veda per esempio il punto 1.4).
   • Logistica e trasporti sono altri aspetti nei quali risparmi nell’input di energia e diminuzione delle emissioni possono costituire interessanti elementi di miglior Sostenibilità, sia dal punto di vista ambientale che economico (questi punti saranno discussi più in profondità nella II Parte dell’articolo).
   • Lo stato attuale della Ricerca, sebbene ancora non conclusiva né generalizzabile, suggerisce una possibile miglior performance energetica dell’AM rispetto ad altri processi produttivi, il che avrebbe impatto sia dal punto di vista ambientale che da quello economico. Tuttavia, uno studio dell’University of California – Berkeley afferma che “non può essere categoricamente affermato che la stampa 3D (Additive Manufacturing) sia ecologicamente più vantaggiosa di altri processi produttivi, poiché i risultati dipendono da molteplici fattori quali il processo e i macchinari utilizzati, il numero di parti prodotte, i parametri di processo e le caratteristiche dei materiali”. Insomma un campo ancora da esplorare a fondo.

Già da quanto sopra esposto appare che dall’utilizzo di processi di AM sia possibile generare un notevole valore aggiunto che può contribuire allo sforzo per la Sostenibilità dell’industria manifatturiera. A questo valore aggiunto in termini di risparmi o accresciuti profitti e minor impatto ambientale possiamo aggiungere ora alcuni vantaggi che possiamo ascrivere alla componente sociale:

• Il fatto che i clienti possono avere una miglior esperienza del prodotto dovuta a una maggior personalizzazione;
• La possibilità di raggiungere clienti distanti oppure isolati con prodotti o servizi impensabili prima dell’emergere dell’AM;
• L’empowerment dei clienti che divengono “prosumers”, cioè consumatori che producono da sé almeno parti degli oggetti di cui hanno bisogno. Questo è probabilmente uno dei cambiamenti più rilevanti che l’AM produrrà sull’economia in generale e sul modello di produzione e consumo attuale;
• Infine, noi crediamo che vi siano possibilità di lavoro e business completamente nuove, anche a livello imprenditoriale a varia scala, emergenti da questa nuova tecnologia. Questa generazione distribuita di capacità economica e imprenditoriale può produrre un enorme valore sociale in futuro.

Nella II Parte dell’articolo tratteremo gli aspetti legati alla supply chain, inclusa la logistica, e i nuovi modelli di business per cercare di comprendere in modo più olistico il potenziale dell’AM per la Sostenibilità.

Questa serie di due articoli intende essere uno stimolo alla discussione costruttiva sulle implicazioni delle tecnologie emergenti sull’impatto dell’industria manifatturiera in relazione ai tre pilastri della Sostenibilità. Sono benvenuti tutti i commenti da parte di professionisti interessati alla Sostenibilità che desiderino aggiungere valore alla discussione. Gli Autori possono essere contattati alla mail IT@esinitiative.com

Greta D’Angelo, PhD: ingegnere e designer industriale con un dottorato in processi di stampa additiva dall’Università Tecnica di Danimarca. Tra le sue collaborazioni il MIT, l’ETH di Zurigo e numerosi designers. Fornisce consulenze nel campo della digitalizzazione e stampa additiva per lo sviluppo di modelli di business per la sostenibilità.