Dal prototipo alla produzione in serie: l’Additive Manufacturing di ceramica per applicazioni industriali

Tra i materiali di stampa 3D che destano più curiosità e interesse ci  sono senza dubbio le ceramiche tecniche. È ormai una costante che il mercato dell’additive manufacturing (AM) di ceramica cresca di anno in anno, man mano che questa trova posto nelle diverse industrie. Secondo un recente report di Fundamental Business Insights, nel 2023, il mercato globale della ceramica per stampa 3D è stato valutato a circa 45,12 milioni di dollari e si prevede che raggiungerà i 519,72 milioni di dollari entro il 2032, con un tasso annuo di crescita composto (CAGR) del 31,2% tra il 2024 e il 2032. 

Una crescita che si spiega proprio per il maggior interesse verso le proprietà avanzate delle ceramiche tecniche, tra cui la resistenza chimica, l’isolamento elettrico, la resistenza alle alte temperature o la biocompatibilità. Queste caratteristiche le rendono ideali per i settori più esigenti come aerospaziale, automotive, energia o medicale.  

Se da una parte le ceramiche tecniche garantiscono elevate performance, è anche vero che non è sempre facile lavorare questi materiali. La sfida quando si ha a che fare con i materiali ceramici nella produzione di parti è mantenere le proprietà e la qualità del materiale per ogni componente. Quando si aumenta la produzione o si affrontano geometrie complesse, potrebbero sorgere problemi come porosità, ruvidità superficiale e precisione dimensionale.  

Per rispondere a questa sfida oggi numerose aziende hanno deciso di specializzarsi nella stampa 3D di ceramica e dimostrare la fattibilità della produzione additiva di ceramica per applicazioni complesse e in serie. Tra queste aziende c’è Bosch Advanced Ceramics, nata nel 2014 come parte della filiale Bosch Business Innovations, all’interno del noto Gruppo Bosch, e da allora specializzata nella produzione additiva di ceramica a livello industriale. L’obiettivo di Bosch Advanced Ceramics è quello di colmare il gap tra la prototipazione e la produzione additiva industriale in grandi volumi di componenti in ceramica.

Quali sono i vantaggi dell’Additive Manufacturing di ceramica per le applicazioni industriali?

I vantaggi dell’uso dell’additive manufacturing rispetto ai metodi di produzione tradizionali sono noti. Tra i principali troviamo la possibilità di produrre parti molto dettagliate e complesse, un processo più flessile e ottimizzato, la progettazione di prodotti innovativi e multifunzionali, un time to market più rapido e dunque un risparmio in termini economici e di tempo, ma non solo. Se guardiamo nel dettaglio all’additive manufacturing di ceramica, è importante notare tra i vantaggi anche il fatto che l’AM permette di evitare il ricorso a costosi stampi, soprattutto per parti piccole e complesse, eliminando di conseguenza anche i tempi di attesa e i costi per la loro realizzazione e consegna. Un altro punto fondamentale è che l’AM di ceramica offre la possibilità di avere accesso ad una produzione flessibile, adattabile facilmente ai mutevoli requisiti di progettazione e produzione richiesti. 

Puntando su tali vantaggi, oggi sempre più aziende beneficiano della produzione di componenti in ceramica su scala e in serie tramite AM, a dimostrazione che la tecnologia non è più relegata, come a volte si crede erroneamente, al mondo della prototipazione. Su questo punto, Ashu Sharma, CSO Bosch Advanced Ceramics, ritiene che non tutti siano ancora consapevoli di tali vantaggi è che per questo motivo è importante comunicarli al meglio, e aggiunge: “Poiché la produzione additiva è una tecnologia relativamente giovane, molti dei nostri clienti non sono consapevoli di tutti i suoi vantaggi. Ispiriamo i nostri clienti nelle riunioni tecniche, mostrando loro come sfruttare questi vantaggi e ottenere il miglior uso dalla tecnologia“. La sfida, ad oggi, è quindi cercare di rendere note le potenzialità della produzione additiva di ceramica e la vastità di applicazioni possibili. 

Casi d’uso della produzione additiva di ceramica in diversi settori industriali

Ma come si traducono questi vantaggi nella produzione di componenti avanzati? Abbiamo chiesto a Bosch Advanced Ceramics di mostrarci esempi concreti di casi d’uso realizzati. È interessante notare che questa tecnologia e questi materiali sono effettivamente adattabili a un’ampia gamma di applicazioni e a diversi settori industriali.

Bosch Advanced Ceramics serve, ad esempio, settori che presentano sfide uniche e richiedono soluzioni personalizzate come quelli medicale, dei semiconduttori, dell’energia, automobilistico o elettronico. Tra i progetti più recenti realizzati c’è la produzione di un manicotto molto piccolo e intricato per un’azienda di tecnologia medica. Il manicotto doveva isolare elettricamente un filo da 0,5 mm in uno strumento laparoscopico. La sfida era produrre un componente con un diametro esterno massimo di 1,3 mm e uno spessore di parete di soli 90 µm. Requisiti quasi impossibili da raggiungere con i metodi di produzione tradizionale.

L’additive manufacturing ha consentito a Bosch Advanced Ceramics di affrontare questa sfida apportando rapide modifiche ai parametri di progettazione e di processo e consentendo loro di perfezionare l’approccio di produzione. Utilizzando la LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) di Lithoz l’azienda è stata in grado di produrre fino a 1.400 parti in un unico processo di stampa e ben 50.000 parti in un anno. Il successo del progetto, inoltre, ha consentito la realizzazione di una strumentazione laparoscopica innovativa e meno invasiva per i pazienti. 

Un’altra interessante applicazione della stampa 3D di ceramica è quella realizzata per l’azienda leader nel campo delle macchine automatizzate STIWA, che necessitava di un innovativo ago di dosaggio. Di norma, gli aghi di dosaggio in metallo vengono utilizzati nei processi adesivi automatizzati per dosare con precisione adesivi altamente viscosi. Questi componenti devono essere particolarmente robusti e resistenti all’usura, poiché i tempi di fermo nella produzione possono comportare costi significativi. Bosch Advanced Ceramics ha sviluppato per STIWA un ago di dosaggio alternativo in ceramica tecnica, prodotto con la stampa 3D.

L’ago di dosaggio è stato stampato su una stampante Lithoz con allumina 99,8%. La particolarità di questo ago è la sua complessa geometria interna: un cono interno che si assottiglia da pochi millimetri fino a 0,8 mm, caratterizzato da una curvatura sofisticata. Una geometria impossibile da ottenere con le tecniche di produzione tradizionali. Inoltre, l’elevata precisione del processo di produzione ha garantito una rugosità superficiale estremamente bassa, favorendo un flusso regolare di adesivo attraverso il foro. 

Infine, un altro settore che può beneficiare della stampa 3D di ceramica per le proprietà incredibili di questo materiale è senz’altro quello dei semiconduttori. Un caso d’uso di successo, ci racconta Bosh Advanced Ceramics, è stata la realizzazione di un anello per wafer da 200 mm. L’aspetto interessante è che questo pezzo, realizzato in allumina >99,8%, misura ben 250x200x3,5 mm e pesa solo 280 grammi. All’interno del pezzo è stato realizzato un canale interno continuo da 120 mm per consentire il flusso di gas o liquidi.

Inoltre, a differenza dei metalli, l’allumina non contamina i wafer né compromette la purezza nella produzione di semiconduttori, riducendo significativamente i rischi di contaminazione. La sua natura non reattiva, combinata con un’eccellente resistenza chimica e alla temperatura, la rende ideale per l’ambiente dei semiconduttori, garantendo prestazioni costanti e affidabili. Per questa applicazione Bosch Advanced Ceramics ha utilizzato la tecnologia di 3D Ceram, che ha consentito di produrre l’anello di notevoli dimensioni con ottima densità e precisione in un unico pezzo. 

Questi casi d’uso evidenziano la capacità offerta dall’additive manufacturing di ceramica di soddisfare le esigenze più disparate, offrendo soluzioni affidabili e di alta qualità per applicazioni industriali impegnative. Affidarsi a partner che possono seguire un progetto dall’idea alla produzione in scala, come Bosch Advanced Ceramics, offre un significativo vantaggio competitivo nell’industria odierna.

“Padroneggiando l’intera catena di produzione, dal processo iterativo al componente finale, abbiamo fatto crescere la tecnologia oltre la fase del prototipo e ora produciamo attivamente componenti ceramici in serie utilizzando la stampa 3D, dimostrando la fattibilità e l’affidabilità della produzione additiva per una serie di settori. La capacità di produrre ceramiche tecniche di alta precisione con geometrie complesse offre vantaggi reali, dalla riduzione dei tempi di consegna all’uso più efficiente dei materiali. Con il continuo sviluppo della tecnologia, è chiaro che la produzione additiva sarà una tecnologia chiave dell’innovazione, aiutando le industrie a rimanere competitive in un panorama in rapida evoluzione”, ha aggiunto Sophie Berninger, CEO di Bosch Advanced Ceramics.

Per saperne di più su Bosch Advanced Ceramics e sulle applicazioni della produzione additiva di ceramica, clicca QUI.

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Crediti per tutte le foto: Bosch Advanced Ceramics