Desktop Metal ritiene che le sue macchine offriranno a progettisti e produttori un modo rapido e a basso costo per stampare parti metalliche.
di David Rotman
Mancano meno di due mesi al lancio iniziale del prodotto della sua azienda e il CEO Ric Fulop mostra con entusiasmo file di stampanti 3D di piccole dimensioni, diversi forni a microonde e piccoli oggetti metallici assortiti in mostra su un tavolo. Al di là di una porta chiusa, un team di designer industriali è seduto attorno a un grande tavolo, ciascuno di fronte a uno schermo. Il muro dietro di loro è tappezzato di immagini di prodotti ambiziosi della startup: stampanti 3D che possono fabbricare parti metalliche in modo economico e abbastanza velocemente da rendere la tecnologia pratica per un uso diffuso nella progettazione e produzione.
L’azienda, Desktop Metal, ha raccolto quasi 100 milioni di dollari dalle principali società di capitali di rischio e da aziende come General Electric, BMW e Alphabet. I fondatori includono quattro eminenti professori del MIT, tra cui il capo del dipartimento di scienza dei materiali dell’istituto ed Emanuel Sachs, che ha depositato uno dei brevetti originali sulla stampa 3D nel 1989.
Tuttavia, nonostante tutto il denaro e l’esperienza, non c’è garanzia che l’azienda riuscirà nel suo obiettivo di reinventare il modo in cui si realizzano le parti metalliche, trasformando così gran parte della produzione. Se avrà successo, Desktop Metal aiuterà a risolvere una sfida che da tre decenni vede soccombere gli sviluppatori della stampa 3D, limitando seriamente l’impatto della tecnologia.
In effetti, nonostante la grande fanfara e i numerosi sostenitori, la stampa 3D è stata, per molti versi, una delusione. Hobbisti e produttori che si autodefiniscono tali possono utilizzare stampanti 3D relativamente economiche per realizzare forme meravigliosamente complesse e ingegnose con la plastica. E alcuni progettisti e ingegneri hanno simulato potenziali prodotti, ma la stampa di parti polimeriche si è limitata ad alcuni prodotti specializzati, come apparecchi acustici personalizzati e impianti dentali.
Anche se è possibile stampare metalli in 3D, farlo è difficile ed economicamente impegnativo. Le aziende manifatturiere avanzate come GE stanno utilizzando macchine molto costose con laser ad alta potenza specializzati per produrre alcuni componenti, ma la stampa di metalli è riservata alle aziende con milioni da spendere per le attrezzature (si veda nota 1), sistemi per alimentare i laser e tecnici qualificati.
Non esiste ancora un’opzione a disposizione di coloro che desiderano stampare più copie di una parte metallica durante il processo di progettazione e sviluppo del prodotto.
Le carenze della stampa 3D implicano un ridimensionamento delle aspettative di chi vorrebbe creare un design digitale, stampare prototipi da perfezionare e utilizzare il file digitale della versione ottimizzata per creare un prodotto commerciale.
Avere un modo economico e veloce per stampare parti metalliche sarebbe un passo importante per trasformare questa visione in realtà. Darebbe ai progettisti più libertà, consentendo loro di creare e testare parti e dispositivi con forme complesse che non possono essere realizzate facilmente con nessun altro metodo di produzione, come nel caso di un reticolo di alluminio intricato o un oggetto metallico con cavità interne.
Potrebbe infine consentire a ingegneri e scienziati dei materiali di creare parti con nuove funzioni e proprietà, sperimentando varie combinazioni di materiali, per esempio stampando un metallo magnetico accanto a uno non magnetico. Oltre a ciò, ridefinirebbe l’economia della produzione di massa, perché il costo di stampa di qualsiasi prodotto sarebbe lo stesso indipendentemente dal numero di articoli.
Ciò cambierebbe il modo in cui i produttori pensano alle dimensioni delle fabbriche, alla necessità di inventario di backup: perché tenere molte parti in stock se è possibile stamparne una in modo semplice e rapido? Per questi motivi si è assistito a una gara per trasformare la stampa 3D in un nuovo modo di produrre componenti. I fornitori di lunga data di stampanti 3D, tra cui Stratasys e 3D Systems, stanno introducendo macchine sempre più avanzate e veloci.
L’anno scorso, HP ha diffuso una linea di stampanti 3D che secondo l’azienda consentiranno di prototipare e realizzare prodotti in nylon, un materiale termoplastico di grande uso. Lo scorso autunno, inoltre, GE ha speso oltre un miliardo di dollari per acquisire una coppia di aziende europee specializzate nella stampa 3D di parti metalliche.
Ma la vera concorrenza per Desktop Metal non è probabilmente dovuta al numero crescente di aziende impegnate nella stampa 3D. Per prima cosa, le stampanti 3D di HP, Stratasys (un investitore in Desktop Metal) e 3D Systems utilizzano principalmente vari tipi di plastica, non la gamma di metalli che l’azienda di Fulop vuole utilizzare nelle sue stampanti. E le macchine di fascia alta di GE non entrano in conflitto con le ambizioni del mercato di Desktop Metal.
Invece, i veri concorrenti di Desktop Metal hanno maggiori probabilità di imporsi nelle tecnologie di lavorazione del metallo. Si parla in questo caso di tecniche di lavorazione automatizzate, come il metodo utilizzato per realizzare il retro posteriore in alluminio ultrasottile di iPhone, e di una tecnica in rapida crescita chiamata stampaggio ad iniezione di metallo: un modo comune per produrre in serie prodotti in metallo.
L’esistenza stessa di questo grande mercato consolidato è ciò che rende la prospettiva così intrigante. Realizzare parti metalliche, afferma Fulop, “è un’industria da trilioni di dollari”. E anche se la stampa 3D occupa stabilmente solo una piccola parte del settore, potrebbe comunque trovarsi di fronte a un’opportunità da svariati miliardi di dollari.
Le temperature sono troppo alte per la stampa
I metalli sono ovunque. Ma mentre la stampa 3D è stata ampiamente utilizzata nella produzione di materie plastiche, l’uso della tecnologia nella fabbricazione di parti in metallo “è stato molto limitato”, afferma Chris Schuh, responsabile di scienza e ingegneria dei materiali presso il MIT e cofondatore di Desktop Metal. “La lavorazione del metallo è più un’arte”.
Realizzare oggetti metallici usando la stampa 3D è difficile per diversi motivi. Il più evidente è l’alta temperatura richiesta per la lavorazione dei metalli. Il modo più comune per stampare la plastica consiste nel riscaldare i polimeri e spruzzare il materiale dall’ugello della stampante; la plastica si indurisce rapidamente nella forma desiderata. Il processo è abbastanza semplice da essere utilizzato nelle stampanti 3D che si vendono a un costo di circa 1.000 dollari.
Ma costruire una stampante 3D che estruda direttamente i metalli non è pratico, dato che l’alluminio si scioglie a 660 °C, l’acciaio ad alto tenore di carbonio a 1.370 °C e il titanio a 1.668 °C. Le parti metalliche devono inoltre passare attraverso diversi processi ad alta temperatura per garantire la resistenza prevista e altre proprietà meccaniche.
Per rendere una stampante 3D abbastanza veloce da essere utilizzata nella produzione di oggetti in metallo, Desktop Metal si è rivolta a una tecnologia che risale alla fine degli anni 1980. Allora, un team di ingegneri del MIT guidato da Sachs, il cofondatore dell’azienda, ha depositato un brevetto per “tecniche di stampa tridimensionale”, in cui veniva descritto un processo di deposizione di un sottile strato di polvere metallica e quindi l’utilizzo della stampa a getto d’inchiostro per depositare un liquido per legare selettivamente la polvere.
Il processo, che viene ripetuto per centinaia o migliaia di strati per definire una parte metallica, può raggiungere una complessità geometrica quasi illimitata. Nell’applicazione più comune della tecnologia, il legante si comporta come una colla. Tuttavia, può anche essere utilizzato per depositare localmente materiali diversi in più posizioni.
I ricercatori del MIT sapevano che il loro metodo di stampa poteva essere utilizzato per realizzare parti in metallo e ceramica, afferma Sachs. Ma erano coscienti anche del fatto che era troppo lento per essere pratico e che le polveri metalliche necessarie per il processo erano in quel momento troppo costose. Sachs si rivolse allora ad altre ricerche, incluso un tentativo di migliorare la produzione di fotovoltaico (si veda link).
Nei decenni successivi la stampa 3D decollò e catturò l’immaginazione di molti progettisti di prodotti. Nel 2009, in particolare, MakerBot ha introdotto una stampante 3-D economica e facile da usare, che ha attirato l’attenzione di molti inventori e hobbisti. Ma queste stampanti a basso costo si sono scontrate con la realtà che le limitava all’uso di alcune materie plastiche di scarsa qualità. Inoltre, sebbene le macchine fossero in grado stampare forme complesse, il prodotto finale spesso non era buono come un componente in plastica realizzato con la tecnologia convenzionale.
Nel frattempo, i ricercatori di industrie come GE erano impegnati a far progredire le tecnologie basate sul laser inventate alla fine degli anni 1980 per la stampa di metalli. Queste macchine usano laser – o, in alcuni casi, fasci di elettroni ad alta potenza – per disegnare forme in uno strato di polvere metallica, fondendo il materiale. Ripetono il processo per costruire un oggetto tridimensionale dalle polveri fuse. La tecnica è impressionante nelle sue capacità, ma è lenta e costosa.
Vale la pena di utilizzarla solo per componenti di valore estremamente elevato e troppo complessi per essere realizzati con altri metodi. In particolare, il nuovo motore a reazione di GE utilizza una serie di sofisticati ugelli di carburante stampati in 3D; sono più leggeri e molto più durevoli perché sono stati incorporati canali di raffreddamento complessi.
I fondatori di Desktop Metal decisero che per rendere la stampa 3D in metallo più accessibile, avrebbero dovuto vendere due diversi tipi di macchine: un modello “desktop” relativamente a basso costo adatto a progettisti e ingegneri che fabbricano prototipi, e uno veloce e abbastanza grande per i produttori.
Fortunatamente, diverse innovazioni hanno finalmente reso pratica l’invenzione originale di Sachs per la produzione di massa, incluso lo sviluppo della stampa a getto d’inchiostro ad altissima velocità per il deposito del legante.
Stampando successivamente circa 1.500 strati, ciascuno da 50 micrometri di spessore, e depositandoli in pochi secondi, si riesce a produrre un componente da 500 pollici cubici in un’ora. Per la produzione di parti metalliche, è circa 100 volte più veloce di una stampante 3D basata su laser.
Per la sua macchina di prototipazione, Desktop Metal ha adottato un metodo dalla stampa 3D in plastica.
Ma invece di un polimero ammorbidito, utilizza polveri metalliche miscelate con un legante polimerico fluido. La composizione viene estrusa, utilizzando il legante stampato per raggruppare la polvere di metallo nelle forme desiderate. Tuttavia, indipendentemente dal fatto che la parte sia stampata con la macchina di prototipazione o con il modello di produzione, l’oggetto risultante – parte legante in plastica e parte in metallo – manca della resistenza di un metallo.
Allora la si colloca in un forno a microonde appositamente progettato per la sinterizzazione, un processo di utilizzo del calore per rendere il materiale più denso, producendo una parte con le proprietà desiderate. In una serie di passaggi accuratamente calibrati durante il processo di sinterizzazione, il polimero viene bruciato e quindi il metallo viene fuso insieme a una temperatura ben al di sotto del suo punto di fusione.
Il problema è vendere
Secondo le promesse dei suoi sostenitori, la stampa 3D ridurrà la necessità di produttori industriali e rafforzerà quelli artigianali locali (si veda link). Molti settori della produzione industriale utilizzano sempre più automazione e software avanzato e la stampa 3D migliora questo passaggio continuo alla produzione digitale.
In un certo senso, non è diverso da un processo di lavorazione automatizzato che lavora su un file digitale per creare una parte metallica. La differenza nella stampa 3D è che offre modi per rendere gli oggetti molto più complessi e rimuove molti dei vincoli che il processo di produzione pone a progettisti e ingegneri.
Questa possibilità potrebbe indurre le azienda a cambiare le proprie strategie logistiche e produttive. Per quantità relativamente ridotte di merci, la stampa 3D potrebbe essere più economica, poiché elimina i costi associati agli utensili, alla fusione e agli stampi necessari per sfornare la maggior parte degli oggetti in metallo e plastica. Il tempo e il denaro necessari per queste attività sono uno dei motivi per cui la produzione di massa è spesso richiesta se un produttore vuole fare profitti.
Senza l’incentivo a impegnarsi nella produzione su larga scala, le fabbriche potrebbero spostare i programmi di produzione ed essere più attenti alla domanda, optando ancor più per la produzione just-in-time. John Hart, professore di ingegneria meccanica presso il MIT e cofondatore di Desktop Metal, la chiama produzione personalizzata di massa.
Anziché disporre di grandi strutture per fabbricare un numero enorme di componenti identici che devono essere spediti in tutto il mondo e immagazzinati, i produttori potrebbero mantenere fabbriche sparse sul territorio che sfornano una serie diversificata di prodotti, aumentando la produzione secondo necessità.
Per ora, la sfida per Desktop Metal è quella di mettere le sue apparecchiature nelle mani di designer e ingegneri responsabili della prossima generazione di prodotti delle loro aziende. Questo inverno Fulop si stava preparando a presentare il prodotto iniziale dell’azienda, la macchina di prototipazione, a una fiera a Pittsburgh che si sarebbe dovuta tenere all’inizio di maggio (la stampante 3D di produzione dovrebbe essere disponibile il prossimo anno).
Il suo compito è convincere i partecipanti a spendere 120.000 dollari per la stampante di prototipazione di Desktop Metal e che il forno di sinterizzazione è essenziale per il futuro delle loro aziende. Fulop è bravo a vendere. Ha creato più di una mezza dozzina di aziende, a cominciare da una che importava hardware e software per computer che aveva fondato quando aveva 16 anni e viveva ancora nel suo nativo Venezuela.
Probabilmente è più conosciuto per aver fondato la A123 Systems, un’azienda produttrice di batterie che è stata una delle startup più redditizie alla fine degli anni Duemila, culminata con una IPO di 371 milioni di dollari, nel 2009.
L’azienda si basava su una nuova tecnologia agli ioni di litio sviluppata da Yet -Ming Chiang, un professore del MIT che è a sua volta uno dei fondatori di Desktop Metal. Come l’attuale avvio della stampa 3D, A123 sperava di trovare applicazioni della scienza dei materiali per rivoluzionare il mercato.
Sebbene A123 abbia registrato una crescita rapida e una IPO di grande successo, l’azienda ha dichiarato bancarotta nel 2012 (Fulop se ne è andato nel 2010). Se si chiede a Fulop qual è la lezione di A123, lui risponde semplicemente: “Le batterie sono un mercato a basso margine”. In effetti, A123 ha lottato per competere in un settore delle batterie sempre più affollato e non ha offerto un miglioramento delle prestazioni abbastanza radicale rispetto alle batterie agli ioni di litio tradizionali sufficiente a conquistare il mercato di veicoli ibridi in via di sviluppo (si veda link).
Le sfide affrontate da Desktop Metal saranno molto diverse. Esiste già un enorme mercato per le parti metalliche e la startup ritiene che la sua tecnologia avrà, almeno nel breve periodo, pochi concorrenti diretti. Chiang indica il portafoglio di brevetti “davvero ricco” della startup. “Non ci sono solo i materiali, ma le tecniche e la fornace [di sinterizzazione]”,egli spiega. “Più importante è la tecnologia, più alta è la barriera che costruisci all’ingresso se hai successo”.
Nel suo ufficio, Chiang ha una scatola di legno contenente una mezza dozzina di spade, prese in prestito dal Museum of Fine Arts di Boston, che furono realizzate negli anni 1970 usando le tecniche tradizionali giapponesi. Chiang usa le spade per insegnare. La lezione consiste nell’illustrare come gli artigiani hanno usato i segreti della metallurgia per trasformare il minerale di ferro nel prodotto finale: una spada d’acciaio ultra affilata e leggermente curva.
Mettendo in mostra le spade, Chiang indica alcuni dei loro dettagli, spiegando i trucchi usati dai loro creatori, come il metodo di tempra usato per creare un bordo estremamente duro e un corpo più morbido. Di nuovo alla sua scrivania, la sua attenzione si riversa di nuovo su Desktop Metal, senza riuscire a controllare il suo entusiasmo mentre descrive gli oggetti metallici recentemente stampati dall’azienda e esposti nelle sue strutture. La cosa eccitante è “l’idea di produrre realmente quese parti”, conclude Chiang.
Nota 1
Le aziende chiave nella stampa 3D
* Stratasys
Tecnologia: una delle aziende di stampa 3D originali, Stratasys è stata fondata da Scott Crumb, l’inventore della modellazione a deposizione fusa, il modo più comune per stampare parti in plastica.
Prodotti: vende macchine in grado di stampare una varietà di fotopolimeri e materiali termoplastici.
* Carbon
Tecnologia: questa startup della Silicon Valley ha sviluppato un nuovo processo fotochimico per la fabbricazione di parti in varie materie plastiche, tra cui poliuretano e resina epossidica.
Prodotti: ha introdotto un sistema modulare per i produttori questa primavera.
* HP
Tecnologia: la sua linea di macchine sfrutta la lunga storia dell’azienda con la stampa a getto d’inchiostro attraverso la “tecnologia di fusione multi getto che utilizza più ugelli per la stampa ad alta velocità e alta risoluzione.
Prodotti: ha presentato le sue prime stampanti 3D l’anno scorso. Le macchine iniziali stampano il nylon, ma l’azienda sta cercando di espandersi ad altri materiali.
* 3D Systems
Tecnologia: la prima azienda di stampa 3D, 3D Systems è stata fondata da Chuck Hull, l’inventore della stereolitografia, che utilizza la luce per formare parti di fotopolimeri. Ora offre vari tipi di stampanti 3D, tra cui alcune che stampano parti metalliche.
Prodotti: ha introdotto l’ultima iterazione di stereolitografia l’anno scorso.
