Le auto stampate in 3D sono possibili? Nuovi sviluppi fanno luce su una risposta

La stampa 3D ha catturato l’immaginazione di numerosi settori in tutto il mondo. Conosciuta anche come manifattura additiva, la stampa 3D è stata giustamente definita una delle tecnologie più determinanti del nostro tempo. Contrariamente alle tecnologie di produzione tradizionali, è un metodo che può costruire oggetti 3D di quasi ogni tipo a strati. Per realizzarlo, la tecnologia sfrutta la progettazione assistita da computer (CAD) e un’ampia gamma di materiali, come metallo, plastica, cemento o carta.

La versatilità che offre ai produttori che operano a livello globale per ottimizzare costi e tempi dei loro flussi di produzione la rende un candidato ideale per una rapida adozione. Secondo le stime, la dimensione globale del mercato dei prodotti e servizi di stampa 3D potrebbe crescere da US$12.6 miliardi nel 2020 a US$37.2 miliardi nel 2026. Entro il 2030, il numero di dispositivi di manifattura additiva e stampa 3D in tutto il mondo potrebbe raggiungere i 2,8 milioni.

Una crescita così forte renderebbe la stampa 3D praticamente onnipresente. Perciò, tutti si chiedono: la stampa 3D può diventare adatta al settore automobilistico, un’industria in cui la precisione di produzione è estremamente apprezzata e valorizzata? In termini più diretti, è possibile stampare in 3D le auto? Discuteremo le possibilità nei segmenti che seguiranno.

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La svolta dell’Università di Tohoku nella tecnica di stampa 3D multi-materiale

L’Istituto per la Ricerca sui Materiali e il Centro Hatchery per la Creazione di Nuove Industrie dell’Università ha raggiunto qualcosa di all’avanguardia. I ricercatori hanno dimostrato il processo per creare un componente automobilistico leggero ma resistente mediante una tecnica di stampa 3D multi-materiale. 

Fonte: Tohoku University

Qui, dobbiamo esaminare più da vicino il fenomeno delle tecniche di stampa 3D multi-materiale. Le strutture multi-materiale, come suggerisce il nome, combinano strategicamente diversi materiali per ottenere prestazioni ottimali di un componente. Ancora più importante, possono essere create tramite stampa 3D.

Spiegando l’emergere di questa tecnica, il Professor Associato Kenta Yamanaka dell’Università di Tohoku ha dichiarato:

“I multi-materiali sono un tema caldo nel campo della manifattura additiva grazie alla loro flessibilità di processo.”

Tuttavia, ha anche menzionato le limitazioni della tecnologia. Secondo lui:

“Per alcune combinazioni di metalli, come acciaio e alluminio, possono formarsi composti intermetallici fragili alle interfacce dei metalli dissimili. Quindi, mentre il materiale è ora più leggero, risulta più fragile.”

L’aspetto più rilevante di questa ricerca è stato che gli scienziati hanno cercato di risolvere questo collo di bottiglia producendo una lega acciaio‑alluminio che, nonostante fosse leggera, non comprometteva la resistenza. 

L’obiettivo è stato raggiunto utilizzando la Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), una delle principali tecnologie di stampa 3D metallica che impiega un laser per fondere selettivamente le polveri metalliche. I ricercatori hanno scoperto che aumentare la velocità di scansione del laser poteva sopprimere significativamente la formazione di composti intermetallici fragili (come Al5Fe2 e Al13Fe4). Hanno ipotizzato che questa maggiore velocità di scansione potesse portare a quella che viene definita solidificazione non‑equilibrata, che minimizza la partizione del soluto responsabile dei punti deboli nel materiale. Il risultato finale è stato un prodotto con interfacce di giunzione robuste. 

Nel dettagliare il valore della comprensione di questo meccanismo di lega in situ, il Professor Assistente Seungkyun Yim dell’Università di Tohoku ha affermato:

“In altre parole, non si può semplicemente unire due metalli e aspettarsi che aderiscano senza un piano.”

Mentre i risultati dei ricercatori dell’Università di Tohoku possono sembrare tecnici e di alto livello, hanno grandi implicazioni nel campo applicato della produzione automobilistica. In sintesi, i ricercatori hanno potuto prototipare il primo componente automobilistico multi-materiale a piena scala al mondo (torre di sospensione) con una geometria su misura. In futuro, i risultati potrebbero influenzare altre combinazioni di metalli dove problemi simili di giunzione necessitano di miglioramenti. 

Mentre questa ricerca apre nuovi orizzonti per l’industria automobilistica, l’uso della stampa 3D in questo ambito non è nuovo.

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Stampa 3D per prototipi più rapidi e componenti o parti ridisegnate

Gli esperti del settore affermano che 3D printing has already been used to expedite prototype creation, redesign selected parts and components, and even substitute them. But with time, the use of 3D printing has moved beyond its initial realm to venture into manufacturing prototypes and producing low-volume, customized 3D-printed trim pieces in some current vehicles. 

Secondo Robert Wilig, direttore esecutivo e CEO di SME, ex Society of Manufacturing Engineers:

“Poiché l’industria automobilistica si sta orientando verso piattaforme ibride o addirittura elettriche focalizzate sulla leggerezza, la manifattura additiva si inserisce perfettamente perché consente modi davvero efficienti di creare progetti ottimizzati.”

Invece di tre parti, che potrebbero essere state richieste in precedenza, la stampa 3D ora permette di ottimizzare il progetto in un unico pezzo, posizionando il materiale solo dove è necessario per renderlo più leggero, più resistente e più flessibile.

Secondo Dallas Martin, ingegnere di manifattura additiva presso Toyota Motor (TM ) North America:

“L’integrazione della stampa 3D nella produzione di utensili e jig ha migliorato l’efficienza e la flessibilità della linea di produzione.”

Una revisione della ricerca finora condotta in questo campo suggerisce che la stampa 3D potrebbe rivoluzionare l’industria automobilistica rendendo i progetti più flessibili, la prototipazione più rapida e la riduzione dei rifiuti più efficiente. Ciò potrebbe essere ottenuto mantenendo la produzione leggera. I ricercatori hanno citato queste ragioni come motori dell’aumento degli investimenti dei produttori automobilistici nelle tecniche di manifattura additiva.

Mentre esploreremo alcune aziende pionieristiche attive in questo settore nei segmenti successivi, i ricercatori hanno osservato maggiori opportunità per la manifattura additiva in soluzioni sostenibili e verdi, in particolare nello sviluppo di sistemi di batterie e auto elettriche. La stampa 3D potrebbe rivelarsi utile per generare supporti per batterie resistenti al calore che migliorano la dissipazione del calore e il raffreddamento delle batterie. È anche vista come una soluzione promettente per la produzione di batterie al litio allo stato solido.

Nei segmenti successivi, esamineremo casi d’uso in cui noti produttori automobilistici stanno sviluppando soluzioni efficaci.

1. Toyota

Nel luglio 2024, sono emerse notizie da Toyota che introduceva auto concetto Hyper-F con parti stampate in 3D. Un veterano in questo campo, Toyota, attraverso TCD Asia (Toyota Customizing & Development) — già coinvolta nella produzione di accessori per vari modelli Toyota — ha presentato un concept SUV ad alte prestazioni con parti stampate in 3D e materiali all’avanguardia. Questo è stato possibile solo grazie alle collaborazioni con le aziende giapponesi Mitsui Chemicals e ARRK Corporation. 

I rapporti suggeriscono che l’auto concetto Hyper-F di Toyota si basa sulla Toyota Fortuner, sviluppata da TCD Asia. Sfruttando l’esperienza tecnica avanzata di Mitsui Chemicals, Toyota ha utilizzato la stampa 3D con pellet per produrre parti da granuli di plastica a basso costo, riducendo i tempi di sviluppo e i costi di investimento.

L’azienda ha affermato che queste parti stampate in 3D sono particolarmente stabili e pronte per essere stampate in formati di grandi dimensioni. Per l’auto concetto Toyota Hyper-F, i componenti stampati in 3D adornano i pannelli dei condotti d’aria del cofano.

Prima di ciò, era stato segnalato che Toyota aveva collaborato con Solize, partner nell’ingegneria di sviluppo prodotto globale e fornitore di servizi ingegneristici, per stampare componenti di ricambio auto in 3D su richiesta. Più specificamente, Toyota ha utilizzato la stampa 3D multi‑jet fusion per creare parti di stock prima di venderle insieme ai ricambi prodotti tradizionalmente. Un altro gigante tecnologico globale, HP, ha fornito le stampanti a Toyota.

Mentre parlava dell’interesse dell’industria automobilistica nell’utilizzare la stampa 3D, Nobuki Okado, MD di HP Japan, ha dichiarato:

“Ogni giorno vediamo una crescente trazione e applicazioni di stampa 3D più mature in molti settori diversi a livello globale, soprattutto nell’automotive. I principali produttori automobilistici come Toyota Motor Corporation stanno dimostrando il potere della stampa 3D per un design flessibile, velocità di immissione sul mercato e impatto sostenibile.”

Oltre a HP, Toyota ha sfruttato le soluzioni di diverse altre aziende per perfezionare e migliorare le proprie offerte automobilistiche in 3D. Ad esempio, l’azienda ha collaborato con Materialise per sviluppare un sedile auto stampato in 3D ultra‑leggero. Ha investito nella R&S della tecnologia co‑sviluppando Somos Taurus insieme a DSM, un materiale considerato ideale per applicazioni automobilistiche grazie alla sua eccezionale temperatura di deflessione termica di 95 °C. L’azienda ha avuto l’ala di stampa 3D intitolata a lei presso l’Università di Waterloo.

Nel maggio 2024, Toyota Motor Corporation ha pubblicato il suo rapporto FY 2024 per il periodo dal 1° aprile 2023 al 31 marzo 2024. L’azienda ha registrato un fatturato di 45.095.325 milioni di yen e un reddito operativo di 5.352.934 milioni di yen. 

2. General Motors

Nel 2022, forse il più noto attore automobilistico al mondo ha riferito di aver superato i prototipi e le parti a bassa tiratura nell’uso della stampa 3D o della manifattura additiva. Il più grande costruttore di automobili negli Stati Uniti stampa strumenti personalizzati per gli operatori degli impianti, rendendo il loro lavoro più sicuro e produttivo.

Il rapporto di General Motors (GM ) con la stampa 3D risale al 1989, quando installò una delle prime stampanti 3D, una macchina di stereolitografia con il numero di serie “3”, nel campus Warren Tech Center (Michigan) vicino a Detroit.

Secondo Ali Shabbir, responsabile del gruppo ingegneristico presso GM per l’industrializzazione della manifattura additiva:

“Man mano che la tecnologia, le resistenze dei materiali e la disponibilità dei metalli iniziavano a prendere realmente slancio, i dirigenti dissero: ‘Sapete una cosa, è qualcosa a cui dobbiamo davvero prestare attenzione, quindi mettiamo una piccola squadra su questo per esplorare davvero cosa si può fare.'”

Nel 2019, GM ha aperto il suo Additive Innovation Lab (AIL), una struttura di 4.000 piedi quadrati nel Cole Engineering Center del Global Technical Center.

Secondo Ali Shabbir, questo laboratorio era il gioiello della corona del programma di formazione additiva di GM. Era uno spazio maker fai‑da‑te e un centro di apprendimento dove i dipendenti potevano imparare a progettare e configurare costruzioni additive e post‑elaborare le parti.

Tra i numerosi esempi di GM che ha implementato con successo la stampa 3D o la manifattura additiva nell’industria automobilistica, alcuni spiccano. Ad esempio, nel 2020, l’azienda ha stampato in 3D il 75 % delle parti per il suo prototipo non operativo (non il veicolo di produzione) della prima Chevrolet C8 Corvette 2020, consentendo agli ingegneri di studiare il processo di assemblaggio finale e identificare le sfide di produzione.

In quell’anno, l’azienda ha prodotto parti additive per la stagione di gara per le squadre Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro e Silverado.

Nel 2021, attraverso la sua partnership con GKN Additive Forecast 3D, l’azienda ha stampato in 3D 60.000 sigilli flessibili per spoiler per completare 30.000 SUV Chevrolet Tahoe in cinque settimane. Il metodo tradizionale di produzione – lo stampaggio a iniezione – avrebbe potuto richiedere molto più tempo, fino a 10 settimane.

GM ha anche incorporato parti stampate in 3D, inclusi due condotti HVAC e un supporto per il cablaggio elettrico, nei veicoli Cadillac CT4‑V e CT5‑V Blackwing. Nell’ottobre 2022, ha annunciato il più ambizioso finora: la Cadillac CELESTIQ EV da 300.000 $, che utilizzerà ampiamente la manifattura additiva metallica per personalizzazioni su misura.

Secondo il suo rapporto annuale per l’anno fiscale conclusosi il 31 dicembre 2023, GM ha riportato un fatturato di 171,8 miliardi di dollari, un utile netto attribuibile agli azionisti di 10,1 miliardi di dollari e un EBIT rettificato di 12,4 miliardi di dollari.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG (DTG.DE ) è uno dei più grandi produttori mondiali di veicoli commerciali. Con oltre 40 impianti di produzione in tutto il mondo e più di 100.000 dipendenti, offre camion leggeri, medi e pesanti, autobus urbani e interurbani, pullman e telai per autobus.

L’azienda afferma di aver beneficiato enormemente dalla sua innovativa tecnologia di stampa 3D. I suoi quasi 30 anni di esperienza nella costruzione di prototipi con stampa 3D sono stati ora trasferiti alla produzione in serie con standard di alta qualità. Utilizzando la stampa 3D, la divisione autobus di Daimler può reagire rapidamente, in modo flessibile, economico ed ecologico alle richieste urgenti dei clienti, inclusa la produzione di componenti speciali come coperture, maniglie e una vasta gamma di staffe individuali.

Il \”Centre of Competence for 3D Printing\” di Daimler ha iniziato a esaminare nel 2019 oltre 300.000 ricambi attuali per autobus in dettaglio per valutarne l’idoneità come parti stampate in 3D. L’azienda dispone ora di un reparto completo di Soluzioni di Manifattura Additiva che ha portato a una riduzione fino all’80 % dei tempi di approvvigionamento, ha identificato oltre 7.000 potenziali componenti stampabili in 3D e ha creato un portafoglio di oltre 400 ricambi approvati che possono essere stampati in 3D.

Secondo Ralf Anderhofstadt, responsabile del Center of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media presso Daimler Buses, le attività dell’azienda nel campo della manifattura additiva, il \”potenziale immenso della tecnologia lungo l’intera catena del valore è diventato evidente passo dopo passo.\” Come vede Ralf, le opportunità per il business di Daimler, così come per i suoi clienti, spaziano dal potenziale di risparmio a nuovi modelli di business. 

Nel 2023, Daimler Truck ha riportato un fatturato di 55.890 milioni di euro, un aumento significativo rispetto ai 50.945 milioni di euro del 2022.

Prospettive future

L’opinione è ancora divisa sul fatto che la stampa 3D prenderà completamente il sopravvento sulla produzione automobilistica in futuro. Secondo Robert Willig, direttore esecutivo e CEO di SME, ex Society of Manufacturing Engineers, potrebbe non esserci una ‘fabbrica gigantesca con nient’altro che stampanti.’

Tuttavia, secondo Luke Czinger, co‑fondatore e COO di Divergent Technologies, che attualmente collabora con sei case automobilistiche, tra cui Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti e McLaren, la stampa 3D, principalmente di componenti di sospensione e rinforzo, può migliorare le prestazioni dei veicoli elettrici.

“La storia dei veicoli elettrici è convincente per l’autonomia. Se riesci a risparmiare dal 20 % al 30 % di massa nella struttura del telaio, puoi aumentare l’autonomia o ridurre le dimensioni del pacco batteria. Tipicamente per questi EV a basso costo, questo è davvero significativo per la redditività del business. Inoltre, c’è l’aspetto della sostenibilità. Se realizzi un veicolo più leggero, avrai meno usura degli pneumatici, ma utilizzerai anche meno alluminio e meno CO₂ nel processo di produzione.”

– Czinger

I ricercatori credono che il punto di forza della stampa 3D nella produzione di auto sia la capacità di eliminare l’uso di materiale in eccesso e, quindi, gli sprechi inutili, nonché la necessità di lunghi percorsi di trasporto e aree di stoccaggio, riducendo notevolmente l’impatto ambientale. (MBG.DE )

In sintesi, è un metodo di produzione sostenibile promettente. Tuttavia, dovrà affrontare alcuni colli di bottiglia per avere successo. Ad esempio, dovrà garantire un controllo rigoroso della qualità del prodotto. Dovrà eliminare la necessità di eccessive lavorazioni post‑produzione, migliorare il volume di produzione e affrontare la mancanza di standard.

Per l’applicazione efficace della stampa 3D nell’industria automobilistica, sono necessari processi e materiali standardizzati. La mancanza di standard universali potrebbe ostacolare l’interoperabilità tra diverse stampanti 3D e software, rendendo difficile ottenere le stesse prestazioni anche con parametri di processo identici.

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