Come JENI di Photocentric sfida lo stampaggio a iniezione sui volumi industriali

JENI non somiglia a una stampante 3D. È una torre illuminata dall’interno da un’intensa luce rossa, con sezioni modulari sovrapposte e alloggiate in rack che richiamano l’infrastruttura di un server. Aggiungendo un modulo, il sistema si espande. Riconfigurando un nodo, si può introdurre un nuovo processo. Una singola installazione può produrre centinaia di migliaia di componenti al giorno e, in alcuni casi, superare il milione.

Photocentric ha presentato JENI come una piattaforma di produzione autonoma che abbina la stampa 3D LCD ad alta risoluzione al post-trattamento robotizzato. Secondo l’azienda britannica, il sistema può produrre componenti in plastica a volumi e costi competitivi rispetto allo stampaggio a iniezione.

È il momento di usare la stampa 3D per la produzione di massa

La produzione additiva è nota per la sua efficacia nella realizzazione di prototipi e componenti complessi o su misura, non certo per gli oggetti di uso quotidiano, come clip, tappi, connettori e passacavi. Photocentric sostiene però che questa convinzione sia ormai superata. A impedire alla produzione additiva di competere con lo stampaggio a iniezione sui grandi volumi non sarebbe stata la stampa in sé, bensì la manodopera, la movimentazione dei componenti, la variabilità tra i lotti e il costo dei materiali. JENI è quindi progettata per lavorare in modo continuo e senza supervisione, associando a ogni commessa parametri di processo specifici.

Grazie a questo elevato livello di automazione, JENI elimina il costo della manodopera. Nel caso dei distanziali, un singolo modulo può produrne 238.000 al giorno a un costo unitario inferiore a 0,02 dollari. Il materiale diventa così la voce di spesa principale e gli utenti possono scegliere sia le resine formulate da Photocentric sia altri materiali compatibili con una lunghezza d’onda di 405 nm.

Come funziona JENI

Photocentric definisce JENI, senza mezzi termini, «stampaggio a iniezione senza attrezzaggio». La piattaforma automatizza la produzione con stampanti 3D LCD ad alta risoluzione e nodi di post-trattamento collegati a sistemi robotizzati ad alta velocità. Il cliente può iniziare con un solo controller robotico e un modulo di processo, per poi aggiungerne altri con l’aumento dei volumi produttivi.

Il file digitale inviato a JENI contiene sia le istruzioni di stampa sia l’intera sequenza delle operazioni successive, inclusi i tempi di lavaggio e polimerizzazione. JENI monitora ogni nodo e assegna il lavoro al primo disponibile che soddisfa i requisiti. Quindi, un portale robotizzato preleva la piattaforma di stampa corretta e la porta in posizione. Dato che ogni commessa viene gestita singolarmente, nello stesso lotto si possono produrre geometrie diverse e adottare sequenze di post-trattamento differenti. Il machine learning consente inoltre di ottimizzare la commessa in funzione di costi, velocità, impronta di carbonio o qualità.

Ideale per i «componenti noiosi»

I clienti di Photocentric utilizzano già la stampa a resina per applicazioni particolarmente adatte a questa tecnologia, come modelli dentali, calzature, gioielli e miniature. JENI introduce però la convenienza economica anche per quelli che gli ingegneri dell’azienda chiamano «i componenti noiosi». Il team di Photocentric produce internamente diversi piccoli componenti, tra cui involucri, supporti, staffe, connettori, collettori, clip, maniglie e pomelli. Produrli in azienda è pratico, rapido e conveniente: un comune passacavo, per esempio, può essere realizzato internamente a soli 0,07 dollari, contro un prezzo di acquisto esterno di 0,34 dollari per componente.

Photocentric prevede che i primi ad adottare JENI saranno, da un lato, gli innovatori attivi nelle grandi aziende che oggi dipendono dallo stampaggio a iniezione e, dall’altro, i clienti che già utilizzano le sue soluzioni di stampa 3D. JENI è una piattaforma aperta sul fronte dei materiali: ogni nodo di una singola installazione può quindi lavorare con una resina diversa. Un laboratorio odontotecnico, per esempio, potrebbe produrre contemporaneamente modelli ortodontici su sei nodi, mascherine dentali su due e corone, ponti e protesi sui nodi restanti.

Covid-19: il momento della svolta

Le origini di JENI risalgono a un momento preciso della pandemia di Covid-19, quando l’azienda gestiva una farm di stampa con 52 LC Magna che arrivò a produrre oltre un milione di visiere protettive al mese. Quell’esperienza mise in luce le criticità operative che sarebbero poi diventate il punto di partenza per la progettazione di JENI.

«Negli ultimi sei anni, la missione di Photocentric, e la mia a livello personale, è stata rendere la produzione digitale di massa un’alternativa diffusa allo stampaggio a iniezione», ha dichiarato Paul Holt, Managing Director di Photocentric. «Abbiamo chiamato questo progetto JENI in omaggio alla prima macchina della prima rivoluzione industriale, la Spinning Jenny. JENI trasforma in realtà il concetto secondo cui si inserisce un file digitale e si ottiene un componente prodotto digitalmente. Ora ne abbiamo dimostrato l’efficacia sul campo, stampando decine di milioni di unità di uno dei componenti che il settore della stampa 3D avrebbe ritenuto tra i meno adatti a essere prodotti in questo modo».

Specifiche e qualità dei componenti

Il passo pixel di JENI è di 24,8 µm × 16,8 µm. Secondo Photocentric, questa risoluzione consente di ottenere dettagli fini, testi e una finitura superficiale difficili da raggiungere per gran parte delle tecnologie di produzione additiva industriale senza lavorazioni secondarie, con una qualità pari a quella dello stampaggio a iniezione.

Lo spessore dello strato può essere regolato per ogni lavoro, dai valori tradizionali di 25, 50 o 100 µm fino a 250 µm, in base all’equilibrio richiesto tra velocità e qualità. Dato che ogni lavoro conserva i propri parametri, due componenti prodotti contemporaneamente dallo stesso sistema possono essere stampati con spessori di strato differenti. Il volume di stampa è al momento determinato dallo schermo da 10 pollici di JENI e misura 224 × 127 × 57 mm. Photocentric ha scelto queste dimensioni perché i componenti destinati alla produzione di massa sono generalmente di piccole dimensioni.

La complessità dei componenti, al contrario, è di fatto priva di vincoli. Non occorre progettare tenendo conto di angoli di sformo, linee di divisione o segni degli estrattori. Inoltre, sottosquadri e geometrie interne non comportano costi aggiuntivi: produrre un componente complesso costa quanto realizzarne uno semplice dello stesso volume. Lo stesso vale per la texture superficiale. Su JENI si possono integrare senza sovrapprezzo texture fini, motivi e finiture decorative, mentre nello stampaggio a iniezione questi elementi devono essere ricavati nello stampo con costi considerevoli e non possono più essere modificati per l’intera vita utile dell’attrezzatura.

Che cosa significa davvero produrre senza presidio umano?

JENI è progettata per operare a luci spente, con una supervisione quotidiana minima. La maggior parte dei clienti collega il sistema a contenitori IBC (Intermediate Bulk Container) da una tonnellata di resina, sostituiti ogni pochi giorni, mentre i nodi richiedono soltanto interventi di manutenzione occasionali. Il sistema consegna componenti finiti. In genere, quindi, i clienti aggiungono una breve fase a valle, come cernita, imballaggio o ulteriore assemblaggio, servendosi di comuni apparecchiature di automazione dimensionate in funzione della produttività di JENI. Dato che una piattaforma di componenti completa il ciclo all’incirca ogni 20 secondi, un turno notturno non presidiato può produrre quantità sufficienti a riempire un piccolo magazzino, se la linea a valle non procede allo stesso ritmo.

Sostenibilità: una riduzione dell’impronta di carbonio dell’85%

Le dichiarazioni di Photocentric sulla sostenibilità di JENI si basano su tre fattori: la composizione dei materiali, l’efficienza del processo e la gestione del componente a fine vita.

Materiali: sintesi da rifiuti biologici

Photocentric formula internamente i propri fotopolimeri. Una quota crescente dei monomeri e degli oligomeri impiegati può essere sintetizzata a partire da scarti biologici a basso valore, scarti alimentari e residui agricoli, anziché da prodotti petrolchimici. L’esempio attuale è Durable DL902 Plant-Based, una resina tecnica simile all’ABS formulata con il 52% di materie prime di origine biologica. Dopo la polimerizzazione raggiunge una resistenza ultima a trazione di 46 MPa e un allungamento a rottura del 37%. L’azienda contrappone queste proprietà meccaniche alla fragilità ancora comunemente associata ai fotopolimeri, eredità delle resine per la prototipazione SLA di prima generazione.

Efficienza del processo: i test del MTC

Il Manufacturing Technology Centre del Regno Unito ha sviluppato modelli dell’impronta di carbonio per componente e dell’energia incorporata, confrontando lo stampaggio a iniezione con il processo additivo LCD di Photocentric secondo un approccio cradle-to-gate. L’analisi, condotta su un distanziale per PCB prodotto in serie e fornito da Essentra, è stata pubblicata da Kirkwood et al. con il titolo «Integrating models for calculating component sustainability metrics». Il distanziale stampato a iniezione generava 8,809 gCO2e per componente, contro 1,322 gCO2e con JENI: una riduzione dell’85%, dovuta soprattutto agli sprechi di materiale nelle materozze, nei canali di alimentazione, negli scarti di avviamento e nelle operazioni di spurgo. Photocentric ritiene questo risultato prudenziale, in quanto non include la lavorazione dello stampo né i componenti prodotti in via speculativa e successivamente scartati. L’azienda sottolinea inoltre che i propri dati vengono misurati per ogni lavoro e non stimati.

Fine vita del componente

Un fotopolimero polimerizzato è un termoindurente reticolato chimicamente: non può quindi essere fuso e riformato come un materiale termoplastico e non è compatibile con il riciclo meccanico convenzionale. Photocentric sta seguendo tre strade per affrontare il problema. La prima consiste nel ridurre gli scarti all’origine, disponendo i componenti in modo fitto sulle piattaforme e reimmettendo nella vasca la resina non polimerizzata. La seconda è il recupero energetico. I fotopolimeri hanno un elevato potere calorifico e possono quindi essere destinati a impianti di termovalorizzazione. La terza prevede di integrare la riciclabilità fin dalla progettazione, sviluppando formulazioni chimiche con legami scindibili che potrebbero consentire di scomporre una rete polimerizzata e recuperare oligomeri riutilizzabili.

La convenienza economica

Quando un cliente confronta JENI con il costo complessivo della produzione (materiali, manodopera, energia, attrezzaggio, scarti, stoccaggio, obsolescenza e costi legati alle rotture di stock), il confronto ha mostrato più volte il vantaggio della produzione additiva, con un margine più ampio di quanto previsto dall’azienda. Secondo Photocentric, la prova più evidente deriva dal tipo di componenti che oggi si producono con JENI: articoli a basso valore unitario, per i quali anche frazioni di centesimo determinano la sostenibilità economica di un metodo produttivo.

Disponibilità di JENI

JENI può essere ordinata già oggi. Photocentric indica tempi di consegna di circa tre mesi per arrivare al Factory Acceptance Test (FAT), anche se il calendario complessivo dipende dalla rapidità con cui il cliente riesce a testare i componenti e scegliere i materiali. Questa attività di validazione precede l’ordine vero e proprio. Segue un Site Acceptance Test presso la sede del cliente, durante il quale il sistema viene messo alla prova con i componenti previsti, si forma il personale e l’installazione passa a un contratto di assistenza continuativa.

«La prossima tappa del percorso sarà aggiungere altri nodi di processo, ampliando l’applicabilità a geometrie diverse, e poi mostrare come questo prodotto radicalmente diverso possa cambiare le decisioni produttive. L’obiettivo è superare il processo convenzionale basato prima sul prototipo e poi sull’attrezzaggio, includendo la produzione digitale su scala di centinaia di milioni di unità, o la replicazione rapida», ha aggiunto Holt.

Da trent’anni si sostiene che la produzione additiva non riuscirà mai a realizzare i componenti su cui si regge davvero il mondo. Con JENI, Photocentric scommette che oggi sia possibile produrli digitalmente, senza attrezzaggio, in grandi volumi, a un prezzo competitivo e con una frazione dell’impronta di carbonio. Per saperne di più su JENI, è possibile visitare il sito di Photocentric QUI.

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