STAMPA 3D DI MASCHERE, ATTREZZATURE E ALTRI STRUMENTI DI PRODUZIONE

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1 STAMPA 3D DI MASCHERE, ATTREZZATURE E ALTRI STRUMENTI DI PRODUZIONE COME CONSEGUIRE UNA FORTE RIDUZIONE DI TEMPI E COSTI REALIZZANDO I PROPRI STRUMENTI DI PRODUZIONE PERSONALIZZATI CON LA STAMPA 3D. Di Joe Hiemenz, Stratasys, Inc. FOR A 3D WORLD TM White Paper

2 Migliorare la qualità, abbreviare i tempi di ciclo e ridurre i costi sono gli obiettivi fondamentali della produzione, ed anche la causa principale dell abbondanza di staffaggi e attrezzature di produzione. Indipendentemente dal tipo di processo, completamente automatizzato o interamente manuale, dime e attrezzature vengono utilizzate in tutte le operazioni di produzione con l obiettivo di ridurre i costi accelerando al contempo i processi. Se si amplia l orizzonte includendo in questo ambito anche tutti gli strumenti di produzione utilizzati come ausili operativi, la loro diffusione cresce ulteriormente. Si va da contenitori organizer e portautensili per l implementazione della metodologia organizzativa 5S a modelli, guide e calibri, fino ad includere sofisticate pinze robotizzate e semplici vassoi, cestelli e sistemi di smistamento per il trasporto interno. Indipendentemente dal nome, dalla descrizione o dall applicazione, gli strumenti di produzione contribuiscono ad aumentare i profitti e l efficienza, mantenendo alta la qualità. Pur essendo molto diffusi, gli strumenti di produzione non vengono sempre utilizzati al massimo delle loro potenzialità. La loro fabbricazione richiede tempo, manodopera e denaro. Per utilizzare al meglio le risorse limitate la soluzione è ricorrere alla stampa 3D. È semplice e automatizzata, rapida ed economica. Potrete così svilupparere più maschere e attrezzature e avere al tempo stesso la capacità di ottimizzarne le prestazioni. ABBASSARE LE BARRIERE Semplicemente sostituendo gli attuali metodi di realizzazione di staffaggi e attrezzature con la fabbricazione additiva è possibile ridurre i costi e velocizzare le consegne. Un investimento in sistemi di fabbricazione additiva si giustifi ca facilmente anche solamente per i vantaggi sopra elencati, offrendo un ritorno in breve tempo. Questo non prende però in considerazione l impatto più considerevole sul conto economico. La fabbricazione additiva, infatti, abbassa i limiti per giustifi care la realizzazione di un nuovo tool, permettendovi così di indirizzare esigenze altrimenti ignorate nel processo di produzione. Se vi guardate intorno, in offi cina, nell area nelle linee di assemblaggio e nel laboratorio di controllo qualità, quante nuove opportunità potreste scoprire per una nuova dima o per un attrezzatura? Quale sarebbe il loro valore? Alcuni esempi potrebbero essere: Ridurre scarti e rilavorazioni Diminuire il tempo di lavoro diretto Migliorare la produttività Migliorare il controllo e la ripetibilità dei processi E come si tradurrebbe tutto questo in aumento della marginalità aziendale? Ma soprattutto, perche, in tanti casi, fissaggi e dime di assemblaggio non vengono realizzati, pur dando valore al ciclo produttivo? Perchè ragionevolmente non si giustifi cano economicamente. Ovvero, pur offrendo un vantaggio, questo non è tale da giustificare l investimento economico per la realizzazione delle attrezzature in questione. Probabilmente avete deciso di investire tempo e danaro in altre attività. Viste le attuali limitazioni di tempo e danaro, la decisione di realizzare un attrezzatura viene presa in virtù delle seguenti priorità e dei seguenti vincoli: Processi altrimenti non fattibili senza maschera o attrezzatura Esigenze più evidenti ed urgenti Maggiori rischi di possibili problemi Maggiore facilita realizzativa Maggiore facilità di implementazione La decisione in merito a quando e dove utilizzare una dima o un attrezzatura Secondo il responsabile del controllo qualità di Thogus, è più facile, veloce e meno costoso non è diversa dalle realizzare in proprio con tecnologia FDM le maschere e le attrezzature richieste piuttosto altre decisioni che affidarne la fabbricazione a un fornitore che prendiamo esterno. quotidianamente. Si intraprende un azione quando il suo valore è superiore all investimento o quando il percorso presenta poca resistenza. La fabbricazione additiva abbassa la soglia di giustifi cazione aumentando il ritorno sull investimento e riducendo gli ostacoli frapposti tra idea e soluzione. Questo si ottiene grazie alla semplifi cazione del processo, alla riduzione dei costi e all accorciamento del lead time. Se si utilizza la tecnologia di modellazione a deposizione 2

3 fusa (FDM, Fused Deposition Modeling) come approccio di fabbricazione additiva per realizzare maschere e attrezzature, il processo prevede tre soli passi: preparazione del file CAD, costruzione dell utensile e postlavorazione. Diversamente dai metodi di fabbricazione tradizionali, l FDM richiede un livello minimo di esperienza e manodopera diretta. In molti casi, la realizzazione di maschere e attrezzature richiede solo 15 minuti di lavoro pratico. Un altro aspetto ancora più importante è che serve pochissima formazione sul funzionamento del processo e non è richiesta alcuna esperienza precedente. La tecnologia FDM è dunque un opzione self-service ideale per staffaggi e attrezzature. Natalie Williams, responsabile della qualità presso Thogus Products, un azienda di stampaggio a iniezione specializzata in produzioni a bassi volumi e materiali altamente tecnici, ha commentato: È talmente più semplice per me realizzare il modello di un attrezzatura e stamparmelo da sola di quanto non sia progettarla e farla realizzare a un officina esterna. Per Thogus, la fabbricazione additiva è facile e veloce. Affidando a un fornitore esterno la fabbricazione di un attrezzatura CMM con 12 fori il lead time andava dai 7 ai 10 giorni. Io l ho realizzata dalla sera alla mattina, afferma. I produttori che usano stampanti 3D con tecnologia FDM per creare i propri strumenti di produzione spesso registrano una riduzione del lead time dal 40% al 90%. La fabbricazione additiva può inoltre aumentare sostanzialmente il Come si puó comparare il processo FDM rispetto metodi alternativi? Impresa Thogus Thermal Dynamics Joe Gibbs Racing FDM Costi FDM Lead Time Metodo alternativo Costi Metodo alternativo Lead Time $ h $10,000 4 settimane $21 2 h $200 2 settimane $ h $10,000 4 settimane $21 2 h $200 2 settimane $525 1 giorno $2,550 7 giorni BMW $176 1,5 giorni $ giorni ritorno sull investimento, diminuendo il costo di una dima o un attrezzatura. Generalmente le aziende riescono a risparmiare dal 70% al 90% rispetto all affidamento in outsourcing della lavorazione o fabbricazione delle attrezzature. Per l attrezzatura con 12 fori di Thogus il risparmio è stato dell 87%. Il fornitore voleva dollari, io l ho realizzata con meno di 200 dollari, spesi per i materiali, dichiara la Williams. Dopo avere ricevuto un preventivo di dollari e sette giorni per la produzione di attrezzature, Thermal Dynamics ha optato per realizzarle con la tecnologia FDM per risparmiare dollari e diversi giorni. Una delle squadre ai vertici della NASCAR, Joe Gibbs Racing, utilizza la tecnologia FDM Rendendo il processo per creare le attrezzature di produzione, alcune delle quali sono in servizio da più di di fabbricazione dei due anni e hanno contribuito a tagliare lead tools di produzione più time e costi in media del 70%. veloce ed economico, la fabbricazione additiva contribuirà ad aumentare il numero di staffaggi, attrezzature e altri strumenti di produzione, migliorando in ultima analisi gli utili. La fabbricazione additiva permette anche di ottimizzare le prestazioni degli strumenti di produzione. Prima dell avvento della fabbricazione additiva, ci si accontentava di maschere e attrezzature non ottimali. A causa dell alta spesa e degli sforzi richiesti per riprogettarle e ricrearle, le revisioni erano riservate solo per gli elementi che non funzionavano secondo specifiche. Un attrezzatura non ottimale contribuisce ad allungare i tempi di produzione riducendo l effi cacia del ciclo di montaggio e riducendo la profi ttabilità della produzione. La fabbricazione additiva cambia questo modo di pensare. Per pochi euro si è pertanto in grado di realizzare strumenti di produzione ottimizzati e in poco tempo. Per migliorare un tool non 3

4 ottimizzato, tutto ciò che serve è un po di tempo e voglia di riprogettarlo. Il vantaggio di un attrezzatura ottimizzata si traduce in secondi al ciclo che vanno quindi moltiplicati per il numero di Utilizzando la fabbricazione additiva per ricreare una pinza con canali unità prodotte. Se interni del vuoto, Digital Mechanics ha l attrezzatura viene eliminato cinque tubi flessibili esterni che ostacolavano le operazioni. usata per produrre 500 articoli al giorno per addetto, un risparmio anche di soli due secondi riduce il lavoro diretto di 70 ore per persona all anno. Per lo stesso pezzo, una riduzione dell 1% del tasso di scarto equivale a un risparmio di pezzi all anno. In conclusione: la fabbricazione additiva consente la produzione di attrezzature a prezzi più bassi riducendone il giustificativo economico e aumentando il profitto per l azienda. L APPROCCIO DELLA FABBRICAZIONE ADDITIVA Prima di creare il primo modello CAD 3D e caricare un sistema di produzione 3D Fortus, occorre prendere in considerazione i materiali e le tolleranze dimensionali. Pur essendo ideale per molti strumenti di produzione, la stampa 3D non è adatta per tutti gli scopi. Per quanto riguarda i materiali, è necessario innanzitutto capire se la plastica è sufficiente. Staffaggi e attrezzature sono quasi sempre state realizzate in metallo. Tuttavia, mentre in alcuni casi il metallo potrebbe essere un requisito imprescindibile, in altri Utilizzando la tecnologia FDM, BMW il metallo potrebbe stampa maschere e attrezzature che non sarebbe possibile realizzare con i processi di rappresentare lavorazione e fabbricazione convenzionali. La unicamente una stampa 3D ne permette un più facile utilizzo e una migliore funzionalità. opzione pratica essendo appropriato per fresatura, tornitura, piegatura e fabbricazione. In quest ultima circostanza la stampa 3D può essere un opzione interessante. L ampia selezione di materiali FDM può offrire caratteristiche di resistenza chimica (petrolio, solventi), resistenza termica (fino a 390 F/ 200 C) e resilienza meccanica. Gli utensili di produzione in plastica possono offrire anche alcuni inaspettati vantaggi. Ad esempio, Thogus utilizza accessori robotici realizzati con tecnologia FDM in grado di assorbire eventuali urti. In caso di collisione del braccio robotico contro un ostacolo, la parte FDM protegge il braccio da possibili danni, evitando così costose riparazioni e tempi di fermo macchina. In un altro esempio, la BMW utilizza utensili manuali in plastica perché sono più leggeri e facili da gestire e contribuiscono ad alleviare la fatica degli addetti. Nel decidere se adottare la stampa 3D su alcuni progetti iniziali per la fabbricazione di strumenti e utensili, ai fini della precisione dimensionale si consiglia di idetificare attrezzi che richiedano tolleranze superiori a 0,127 mm (0.005 pollici). Sono possibili anche tolleranze più strette, ma come regola è preferibile mantenersi su questo valore per semplificare il processo. PROGETTAZIONE Il vostro attuale inventario di maschere e attrezzature è stato progettato prendendo in considerazione le capacità e le limitazioni degli attuali metodi di fabbricazione utilizzati per crearle. Conformadovi alle regole della progettazione orientata alla produzione industriale (Design for Manufacturability o DFM) le avete realizzate in modo pratico, mantenendo i costi al minimo e i lead time entro limiti ragionevoli. Queste regole non si applicano alla stampa 3D. Non incidono su tempi, costi, qualità, prestazioni o praticità. In alcuni casi, il rispetto delle regole della DFM può addirittura avere l effetto opposto. Quindi dimenticativi le vecchie regole, fate tabula rasa e iniziate da capo. La natura additiva del processo vi offre una libertà di progettazione senza Questo utensile manuale BMW, ergonomico e più leggero, allevia la fatica degli addetti. precedenti. Ciò che prima era impraticabile diventa ora assolutamente realistico 4

5 e ragionevole. Le maschere e le attrezzature possono avere configurazioni complesse, piene di feature e a forma libera, senza che ciò implichi tempi più lunghi e maggiori costi. Al contrario, la complessità aggiunta può persino ridurre costi e tempi. Ad esempio, tasche, fori e canali riducono il consumo di materiale, i tempi di costruzione e il tempo totale di processo. Per sfruttare a pieno le potenzialità della stampa 3D, la progettazione deve essere guidata dalla funzione e dalle prestazioni della maschera o dell attrezzatura che si vanno a realizzare. Digital Mechanics AB e BMW, in questo senso, hanno anticipato i tempi. Digital Mechanics ha fatto leva sulla libertà di progettazione per una pinza robotica assistita in sottovuoto. Con il sistema di fabbricazione tradizionale la pinza era provvista di tubi flessibili che pendevano esternamente. Con la stampa 3D, ogni dito della pinza è dotato di un canale interno per il vuoto che elimina la necessità dei tubi flessibili. Alla BMW, grazie alla libertà di progettazione, gli addetti alla linea di assemblaggio hanno ora un utensile che permette di arrivare sotto, dietro e all interno della parte posteriore del paraurti. Gli ingegneri hanno focalizzato l attenzione esclusivamente sulla funzione e hanno così progettato un utensile di forma organica in grado di assolvere al meglio il suo compito. La libertà di progettazione può anche migliorare l ergonomia degli strumenti ed utensili di produzione. Il peso, l equilibrio e la posizione dello strumento hanno un impatto diretto sul comfort dei tecnici, sul tempo di ciclo del processo e sulla facilità di accesso e stoccaggio. Per conseguire un ergonomia ottimale, occorre semplicemente studiarla mediante i propri strumenti. Ad esempio, BMW ha riprogettato un attrezzatura per l allineamento dello stemma per migliorare l equilibrio e ridurre il peso. In questo modo è stato possibile alleviare la fatica degli addetti e migliorare il tempo di ciclo per l operazione di applicazione dello stemma. Un modo molto semplice per avvantaggiarsi della libertà di progettazione è consolidare i gruppi in parti singole. Spesso maschere e attrezzature sono composte da molte parti. Questo non è più necessario con la stampa 3D. Se si vuole riprodurre un utensile esistente, è consigliabile di riprogettarlo in modo da riunire quanti più componenti in un singolo pezzo. Se si progetta un nuovo elemento, conviene crearlo fin dall inizio come un unico pezzo. La separazione delle parti deve avvenire solo quando ciò risulta vantaggioso ai fini del funzionamento della maschera o dell attrezzatura. L integrazione delle parti in un singolo componente presenta molti vantaggi: Elimina le problematiche relative alle tolleranze Mantenere tolleranze strette è costoso. Se due parti accoppiate sono riunite in unico pezzo, si riducono tutti i costi e le preoccupazioni in merito al controllo delle tolleranze delle parti di accoppiamento svaniranno. Elimina il tempo di assemblaggio I gruppi, ovviamente, devono essere assemblati. Un operazione che richiede tempo, soprattutto per componenti non ricorrenti come dime e staffaggi e attrezzature, dove non viene garantita la massima precisione di accoppiamento. Minimizza documentazione e spese generali La somma delle parti è inferiore all intero quando si parla di tempi e costi. Il consolidamento delle parti riduce i costi per attività di progettazione, documentazione, preparazione di preventivi, ordinazione e gestione magazzino. GESTIONE Non dovrete più considerare maschere, attrezzature e altri strumenti di produzione come beni all attivo, ma piuttosto come voci di spesa ed elementi monouso. In quanto beni patrimoniali, maschere e attrezzature vengono conservate a magazzino e inventariate tra un uso e l altro. Rimangono in inventario finché non cessa la produzione della rispettiva linea di prodotti oppure fino a che non si usurano al punto da non essere più riparabili. Considerati i tempi, i costi e gli sforzi richiesti per la loro produzione con metodi convenzionali, sono beni troppo preziosi per essere eliminati come strumenti monouso e classificabili come spesa. Questo approccio implica tuttavia molti costi indiretti: il costo per lo spazio a scaffale (spese di stoccaggio a magazzino), il costo per la gestione del magazzino e il costo per la localizazione di una maschera o un attrezzatura all occorrenza. Per strumenti e utensili utilizzati solo sporadicamente questi costi possono essere abbastanza significativi. Con la stampa 3D invece può essere vero il contrario. Spesso sono richiesti tempi e costi più alti per conservare a magazzino maschere e attrezzature che per rifabbricarle. Le aziende quindi 5

6 adottano un approccio gestionale chiamato digital warehousing che prevede la tenuta in archivio del solo file digitale. Potrebbe sembrare impensabile gettare un utensile di produzione in perfette condizioni, ma per gli strumenti utilizzati solo di rado questo approccio riduce i costi e la manodopera. L idea è quella di realizzare lo strumento di produzione quando è richiesto e di inviarlo al riciclaggio assieme al materiale di scarto al termine del lavoro. Si conserva solo il rispettivo progetto in formato digitale tra un impiego e l altro. Questo approccio di stampa su richiesta è comodo anche quando è necessaria la sostituzione di un utensile di produzione rotto o servono duplicati per aumentare la produzione e far fronte a un impennata inattesa delle vendite. CONCLUSIONE La stampa 3D può comportare grandi cambiamenti che contribuiscono a massimizzare i profi tti, eliminando sprechi di tempo e costi non necessari nel processo di produzione. Chi non è pronto a gettare al vento le tradizionali linee guida di progettazione può semplicemente sostituire gli attuali processi di fabbricazione con la stampa 3D. In ogni caso i risparmi a livello di processi produttivi e fabbricazione di maschere e attrezzature saranno sostanziali. Se si dispone di un disegno CAD 3D e dell accesso a una macchina di fabbricazione additiva si è pronti per iniziare a realizzare gli strumenti di produzione dedicando appena 15 minuti di attività manuale. Combinando la semplicità con riduzioni dei costi dal 40% al 90% capirete perché la fabbricazione additiva sta stimolando molte aziende a realizzare un numero sempre maggiore di maschere, attrezzature ed altri strumenti e utensili di produzione. Stratasys info@stratasys.com 7665 Commerce Way Eden Prairie, MN (US Toll Free) (Intl) (Fax) 2 Holtzman St. Science Park, PO Box 2496 Rehovot 76124, Israel (Fax) Airport Boulevard B Rheinmuenster, Deutschland (Fax) emea@stratasys.com ISO 9001:2008 Certified 2015 Stratasys Ltd. Tutti i diritti riservati. Stratasys, il logo Stratasys, Digital Materials, PolyJet sono marchi o marchi registrati di Stratasys Ltd. e/o delle sue società consociate o affiliate e possono essere registrati in alcune giurisdizioni. Fused Deposition Modeling, FDM Technology sono marchi di Stratasys Inc. Specifiche di prodotto suscettibili di modifiche senza preavviso. WP-FDM-3DPrintingJigs&Fixtures-A IT Per ulteriori informazioni su sistemi, materiali e applicazioni Stratasys, telefonare al numero o visitare