Ridurre i costi in bolletta grazie alla stampa 3D

Produzione tradizionale VS Additive manufacturing.

Focus sui consumi energetici delle tecnologie additive e sottrattive.

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1. Andamento costo dell'energia elettrica

Tra dicembre 2020 e dicembre 2021 il prezzo dell'importazione dell'energia nel continente europeo è più che raddoppiato, mentre i prezzi al consumo di energia elettrica, gas e altri combustibili sono aumentati in media di oltre il 50% e la crescita non accenna ad arrestarsi.

Perché è aumentato il prezzo dell'energia?

Sono molteplici le ragioni dietro a questo aumento dei costi dell'energia. La prima è legata alla ripresa delle attività economiche dopo gli stop imposti per contenere la pandemia di Covid-19. L'aumento della domanda di elettricità, in altre parole, ha portato con sé anche un aumento del suo prezzo, e il suo impatto è diventato sempre più significativo sul processo produttivo.

Inoltre, nella prima metà del 2022, le tensioni internazionali e la conseguente riduzione del flusso di Gas proveniente dalla Russia, con la quale si ricava il 50% dell’elettricità italiana, hanno contribuito ad aumentare in maniera esponenziale il costo dell’energia, come si evince dal grafico che segue.

In secondo luogo, va considerato che la maggior richiesta di energia contribuisce fortemente alle emissioni dei gas serra come la CO2. Il settore industriale è il maggior utilizzatore di energia. Le nuove tecnologie, la gestione degli impianti e le direttive sull’energy saving sono i principali strumenti per arginare il problema del consumo energetico e contenere l’inquinamento dei processi produttivi.

2. Consumi energetici delle tecnologie additive e sottrattive

Di seguito è mostrato un confronto tra i consumi energetici e i relativi costi dell’energia delle tecnologie tradizionali (macchinari a controllo numerico per l’asportazione di truciolo) rispetto ad una delle tecnologie più emergenti ed innovative degli ultimi anni come la stampa 3D.

Potenza richiesta nella fresatura
Il fabbisogno energetico di un processo di fresatura si ripartisce tra i gruppi di utenze:

• preparazione lubrorefrigerante
• generazione aria compressa
• alimentazione elettrica di gruppi secondari della fresatrice
• pacchetto di controllo CNC con mandrino principale e assi di avanzamento

A questo si aggiunge l'energia da calcolare in percentuale per illuminazione, ventilazione e climatizzazione dello stabilimento di produzione. Il fabbisogno energetico di un processo di fresatura dipende fortemente dalle dimensioni della fresatrice e dal tipo di lavorazione.

Nell'esempio descritto un pezzo in alluminio di 150 mm x 50 mm x 25 mm viene fresato su un centro di lavoro con un'area di 850 mm x 700 mm x 500 mm. La potenza complessiva media di tutti i gruppi di utenze elencati sopra è di 13 kW per la sgrossatura e di 7,4 kW per la finitura. Le potenze registrate per sgrossatura e finitura forniscono maggiori chiarimenti rispetto alla distribuzione del consumo energetico tra i singoli gruppi di utenze.
Per la sgrossatura sono richiesti in media 5,1 kW. Per la finitura il fabbisogno medio di potenza si riduce a 1,5 kW. Nelle operazioni preliminari alla produzione non viene pressoché assorbita alcuna potenza. La lavorazione a secco offre enormi potenziali per incrementare l'efficienza energetica e delle risorse. In molte applicazioni di fresatura, l'eliminazione del lubrorefrigerante può tuttavia comportare un netto incremento degli scarti e di conseguenza un peggioramento del bilancio energetico. La potenza media dell'aria compressa varia solo in minima parte nelle fasi di operazioni preliminari alla produzione, sgrossatura e finitura e si aggira in media attorno a 1,3 kW.

L'aria compressa è richiesta per la lubrificazione minima del mandrino, in caso di cambio utensile e per la pulizia del pezzo e in ridotte quantità come aria di pressurizzazione (mandrino, misurazione utensile, sistemi di misura lineari). Tra le utenze elettriche della macchina si annoverano, oltre al controllo CNC con mandrino principale e assi di avanzamento, numerosi gruppi secondari (cambia pallet, raffreddamento, impianto idraulico, automazione). La potenza assorbita dai gruppi secondari è diversa negli stati di esercizio di operazioni preliminari alla produzione, sgrossatura e finitura di soli 600 W. Con una potenza assorbita di 2,5 kW i gruppi secondari determinano in misura rilevante l'energia assorbita nelle operazioni preliminari alla produzione. La disattivazione mirata dei gruppi secondari offre pertanto potenziali considerevoli.

Nei confronti che seguono considereremo queste attrezzature:

3. Casi di studio e confronto tra tecnologie

3.1 TPA Brianza: componentistica stampata in 3D in acciaio 17-4 PH

L’azienda si è rivolta alla nostra divisione FastParts, per la produzione mediante tecnologia di stampa 3D del metallo, di circa 60 elementi impiegati nel retrofit di alcune attrezzature per la saldatura testa a testa di tubi in acciaio inox.

Precedentemente, TPA Brianza realizzava questa componentistica con tecnologia sottrattiva (Fresatura CNC) ma gli elevati costi e gli svantaggi in termini di lavoro operatore (ri-posizionamento del componente da fresare nell’area di lavoro), hanno portato l’azienda a valutare la tecnologia Metal FFF delle stampanti 3D in utilizzo a FastParts.

La tecnologia di stampa 3D di filamenti metallici (Metal FFF) è stata scelta perché funzionale in termini di costo rispetto ad altre tecnologie additive di stampa 3D del metallo. In questo modo si possono ottenere le parti di ricambio in maniera rapida e mantenendo ampia libertà di design. Per la realizzazione dei componenti è stato utilizzato l’acciaio inox 17-4 PH, scelto per resistere alle temperature di esercizio in prossimità del bagno di saldatura e per evitare di inquinare il materiale base da saldare.

Grazie alla stampa 3D FFF delle parti metalliche, TPA Brianza ha ottenuto un risparmio del 30% sul costo unitario rispetto alla tradizionale lavorazione CNC. Inoltre, i tecnici di TPA Brianza hanno stimato che la stampa 3D può assicurare un risparmio unitario per lotti fino a 2.000pz.

Osservazione
Una normale stampante 3D avrebbe portato ad un tempo di realizzazione delle 60 parti di circa 340 ore, ma la tecnologia IDEX (Indipendent Dual Extruder) delle stampanti BCN3D Utilizzate, hanno permesso di dimezzare i tempi di produzione, raddoppiando la produttività.

I componenti stampati in 3D verranno successivamente post-processati con un trattamento termo-chimico di Debinding&Sintering che ha un costo complessivo al cliente di circa 70€/kg di materiale. Questo costo di post trattamento, considerato il peso complessivo delle parti stampate, non altera la convenienza economica nella scelta della tecnologia, convenienza che ricade sulla stampa 3D di metalli per questa applicazione.
Qualora i forni di Debinding&Sintering venissero internalizzati, il costo energetico complessivo della lavorazione eseguita con stampante 3D e forni sarebbe comunque inferiore ai 150€ e quindi meno della metà della lavorazione CNC.

3.2 Attrezzaggio stampato in 3D in Nylon PA6/66

Il service di stampa Fastparts è specializzato nella progettazione e produzione, per diverse aziende clienti, di maschere, dime, posaggi e tools generici. Ne è un esempio questo componente realizzato in Nylon 6/66 di cui seguono alcuni dati delle attrezzature necessarie alla realizzazione.

Il macchinario preso in considerazione per la lavorazione CNC è una stazione di lavoro per alluminio, plastiche e compositi, e quindi anche per la Poliammide. La stampante 3D è invece una Ultimaker S5.

In questa tabella sono riassunte informazioni sui consumi energetici e costi della lavorazione

Come si può notare, la stampa 3D di plastiche risulta essere decine di volte meno dispendiosa in termini di costi energetici delle lavorazioni, rispetto ad una stazione di lavoro a controllo numerico.

3.3 Maschera Human Interface in composito

Il componente mostrato nella figura successiva è un dispositivo di interfaccia uomo-macchina (HMI) che necessitava di essere realizzato in materiale composito. Tralasciando la complessità della lavorazione tramite CNC, che prevedeva un assemblaggio di due componenti fresati in quanto non esistono blocchi di materiali composito ma solo lastre, poniamo l’attenzione sui soli consumi energetici.

Anche in questo caso, la stampa 3D di materiali compositi, risulta essere circa venti volte meno dispendiosa in termini di costi energetici delle lavorazioni, rispetto ad un macchinario che lavora per sottrazione. E non stiamo considerando le possibilità che la stampa 3D ci offre in termini di materiali utilizzabili. Infatti, in questo caso è stato scelto un materiale ideale per il settore ferroviario, in cui l’applicazione è installata, con proprietà ritardanti di fiamma e conforme alle normative EN 45545-2 (protezione al fuoco per i rotabili ferroviari), SMP 800-C e NFPA 130 (protezione al fuoco per i sistemi di trasporto ferroviario dei passeggeri); questa poliammide caricata vetro risulta essere la soluzione ideale per la realizzazione di banchi di manovra, postazioni guida e interfacce di controllo di bordo all'interno delle cabine di comando.

Conclusioni

Per piccole produzioni, inferiori a 1000pz, con l’introduzione delle tecnologie additive nel processo produttivo, si ottiene un risparmio energetico che si aggira tra l’80% e il 95% rispetto alle lavorazioni tradizionali per asportazione di truciolo.