La rivoluzione della stampa 3-D

La rivoluzione della stampa 3-D

La stampa 3-D industriale è a un punto critico, sta per diventare mainstream in grande stile. La maggior parte dei dirigenti e molti ingegneri non se ne rendono conto, ma questa tecnologia è andata ben oltre la prototipazione, la lavorazione rapida, i gingilli e i giocattoli. La “produzione additiva” sta creando prodotti durevoli e sicuri per la vendita a clienti reali in quantità da moderate a grandi.

Gli inizi della rivoluzione si mostrano in un sondaggio PwC del 2014 su più di 100 aziende manifatturiere. Al momento del sondaggio, l’11% era già passato alla produzione in volume di parti o prodotti stampati in 3-D. Secondo gli analisti di Gartner, una tecnologia è “mainstream” quando raggiunge un livello di adozione del 20%.

Tra le numerose aziende che usano la stampa 3-D per aumentare la produzione ci sono GE (motori a reazione, dispositivi medici e parti di elettrodomestici), Lockheed Martin e Boeing (aerospaziale e difesa), Aurora Flight Sciences (veicoli aerei senza equipaggio), Invisalign (dispositivi dentali), Google (elettronica di consumo), e la società olandese LUXeXcel (lenti per diodi ad emissione di luce, o LED). Osservando questi sviluppi, McKinsey ha recentemente riferito che la stampa 3-D è “pronta ad emergere dal suo status di nicchia e diventare una valida alternativa ai processi di produzione convenzionali in un numero crescente di applicazioni”. Nel 2014 le vendite di stampanti 3-D di tipo industriale negli Stati Uniti erano già un terzo del volume delle vendite di automazione industriale e robotica. Alcune proiezioni vedono questa cifra salire al 42% entro il 2020.

Altre aziende seguiranno man mano che la gamma di materiali stampabili continua ad espandersi. Oltre alle plastiche di base e alle resine fotosensibili, questi includono già la ceramica, il cemento, il vetro, numerosi metalli e leghe metalliche, e nuovi compositi termoplastici infusi con nanotubi di carbonio e fibre. L’economia superiore finirà per convincere i ritardatari. Anche se i costi diretti della produzione di beni con questi nuovi metodi e materiali sono spesso più alti, la maggiore flessibilità offerta dalla produzione additiva significa che i costi totali possono essere sostanzialmente più bassi.

Con questo cambiamento rivoluzionario già in corso, i manager dovrebbero ora impegnarsi in questioni strategiche su tre livelli:

In primo luogo, i venditori di prodotti tangibili dovrebbero chiedere come le loro offerte potrebbero essere migliorate, sia da loro stessi che dai concorrenti. Fabbricare un oggetto strato per strato, secondo un “blueprint” digitale scaricato su una stampante, permette non solo una personalizzazione illimitata ma anche progetti di maggiore complessità.

In secondo luogo, le imprese industriali devono rivedere le loro operazioni. Poiché la produzione additiva crea una miriade di nuove opzioni per come, quando e dove vengono fabbricati prodotti e parti, quale rete di risorse della catena di fornitura e quale mix di processi vecchi e nuovi sarà ottimale?

In terzo luogo, i leader devono considerare le implicazioni strategiche quando interi ecosistemi commerciali iniziano a formarsi intorno alle nuove realtà della stampa 3-D. Molto è stato fatto sul potenziale per ampie fasce del settore manifatturiero di atomizzarsi in un numero incalcolabile di piccoli “makers”. Ma questa visione tende a oscurare uno sviluppo più sicuro e importante: Per permettere l’integrazione delle attività tra i progettisti, i produttori e i trasportatori di beni, dovranno essere stabilite delle piattaforme digitali. All’inizio queste piattaforme permetteranno le attività di design-to-print, la condivisione del design e il download veloce. Presto orchestreranno le operazioni delle stampanti, il controllo della qualità, l’ottimizzazione in tempo reale delle reti di stampanti e gli scambi di capacità, tra le altre funzioni necessarie. I fornitori di piattaforme di maggior successo prospereranno enormemente stabilendo degli standard e fornendo le impostazioni in cui un complesso ecosistema può coordinare le risposte alle richieste del mercato. Ma ogni azienda sarà interessata dall’ascesa di queste piattaforme. Ci sarà molta competizione tra gli incumbent e i nuovi arrivati per catturare quote dell’enorme valore che questa nuova tecnologia creerà.

Queste domande si sommano a una notevole quantità di pensiero strategico, e ne rimane ancora un’altra: Quanto velocemente accadrà tutto questo? Per un dato business, ecco quanto velocemente può accadere: L’industria statunitense degli apparecchi acustici si è convertita al 100% alla produzione additiva in meno di 500 giorni, secondo un amministratore delegato del settore, e non è sopravvissuta nessuna azienda che si sia attenuta ai metodi di produzione tradizionali. I manager dovranno determinare se è saggio aspettare che questa tecnologia in rapida evoluzione maturi prima di fare certi investimenti o se il rischio di aspettare è troppo grande. Le loro risposte saranno diverse, ma per tutti loro sembra sicuro dire che il tempo per il pensiero strategico è ora.

I vantaggi dell’additivo

Può essere difficile immaginare che questa tecnologia sostituirà i modi standard di oggi di fare cose in grandi quantità. Le tradizionali presse a iniezione, per esempio, possono sputare fuori migliaia di widget all’ora. Al contrario, le persone che hanno visto le stampanti 3-D in azione nel mercato degli hobbisti spesso trovano l’accrescimento strato per strato degli oggetti comicamente lento. Ma i recenti progressi della tecnologia stanno cambiando drasticamente la situazione in ambito industriale.

Alcuni potrebbero dimenticare perché la produzione standard avviene con una velocità così impressionante. Quei widget escono rapidamente perché pesanti investimenti sono stati fatti in anticipo per stabilire la complessa serie di macchine utensili e attrezzature necessarie per produrli. La prima unità è estremamente costosa da produrre, ma man mano che seguono unità identiche, il loro costo marginale crolla.

La produzione additiva non offre nulla di simile all’economia di scala. Tuttavia, evita il lato negativo della produzione standard: la mancanza di flessibilità. Poiché ogni unità è costruita indipendentemente, può essere facilmente modificata per soddisfare esigenze uniche o, più in generale, per accogliere miglioramenti o cambiamenti di moda. E impostare il sistema di produzione in primo luogo è molto più semplice, perché comporta un numero molto inferiore di fasi. Ecco perché la stampa 3-D è stata così preziosa per la produzione di pezzi unici come i prototipi e le rare parti di ricambio. Ma la produzione additiva ha sempre più senso anche su larga scala. Gli acquirenti possono scegliere tra infinite combinazioni di forme, dimensioni e colori, e questa personalizzazione aggiunge poco ai costi di un produttore anche quando gli ordini raggiungono livelli di produzione di massa.

Una grande parte del vantaggio dell’additivo è che i pezzi che prima venivano stampati separatamente e poi assemblati possono ora essere prodotti come un unico pezzo in un’unica fase. Un semplice esempio sono gli occhiali da sole: Il processo 3-D permette di variare la porosità e la miscela di plastica in diverse aree della montatura. Gli auricolari vengono fuori morbidi e flessibili, mentre i cerchi che tengono le lenti sono duri. Non c’è bisogno di assemblaggio.

Stampare parti e prodotti permette anche di progettarli con architetture più complesse, come l’alveolatura all’interno di pannelli d’acciaio o geometrie precedentemente troppo fini da fresare. Parti meccaniche complesse – un set di ingranaggi incassati, per esempio – possono essere realizzate senza assemblaggio. I metodi additivi possono essere usati per combinare parti e generare dettagli molto più interni. Ecco perché GE Aviation è passata a stampare gli ugelli del carburante di alcuni motori a reazione. Si aspetta di sfornare più di 45.000 dello stesso design all’anno, quindi si potrebbe supporre che i metodi di produzione convenzionali sarebbero più adatti. Ma la tecnologia di stampa permette di fabbricare in un solo pezzo un ugello che prima era assemblato da 20 parti fuse separatamente. GE dice che questo ridurrà il costo di produzione del 75%.

La produzione additiva può anche utilizzare più getti della stampante per stendere diversi materiali contemporaneamente. Così Optomec e altre aziende stanno sviluppando materiali conduttivi e metodi per stampare microbatterie e circuiti elettronici direttamente dentro o sulle superfici dei dispositivi elettronici di consumo. Altre applicazioni includono attrezzature mediche, beni di trasporto, componenti aerospaziali, dispositivi di misurazione, infrastrutture di telecomunicazione e molte altre cose “intelligenti”.

L’enorme attrattiva di limitare il lavoro di assemblaggio sta spingendo le attrezzature di produzione additiva a diventare sempre più grandi. All’estremo attuale, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel, e Oak Ridge National Laboratory stanno collaborando per sviluppare una capacità di stampare la maggior parte degli endo- ed esoscheletri dei jet da combattimento, compreso il corpo, le ali, i pannelli strutturali interni, il cablaggio incorporato e le antenne, e presto la struttura portante centrale. La cosiddetta produzione additiva di grandi superfici rende possibile la fabbricazione di questi grandi oggetti utilizzando un enorme portale con controlli computerizzati per spostare le stampanti in posizione. Quando questo processo sarà certificato per l’uso, l’unico assemblaggio richiesto sarà l’installazione di moduli elettronici plug-and-play per la navigazione, le comunicazioni, l’armamento e i sistemi di contromisura elettronica negli alloggiamenti creati durante il processo di stampa. In Iraq e Afghanistan l’esercito americano ha usato i droni di Aurora Flight Sciences, che stampa l’intero corpo di questi veicoli aerei senza equipaggio – alcuni con un’apertura alare di 132 piedi – in un’unica costruzione.

Strategia tridimensionale

Questa breve discussione sui vantaggi della produzione additiva suggerisce quanto facilmente le aziende abbracceranno la tecnologia e i risparmi aggiuntivi nei costi di inventario, spedizione e struttura renderanno il caso ancora più forte. La chiara implicazione è che i manager di aziende di tutti i tipi dovrebbero lavorare per anticipare come le loro aziende si adatteranno ai tre livelli strategici menzionati sopra.

Offerte, riprogettate.

La strategia di prodotto è la risposta alla domanda più fondamentale negli affari, Cosa venderemo? Le aziende dovranno immaginare come i loro clienti potrebbero essere serviti meglio nell’era della produzione additiva. Quali design e caratteristiche saranno ora possibili che prima non lo erano? Quali aspetti possono essere migliorati perché le restrizioni o i ritardi di consegna sono stati eliminati?

Per esempio, nell’industria aerospaziale e automobilistica, la stampa 3-D sarà più spesso utilizzata nella ricerca di aumenti di prestazioni. In precedenza, l’efficienza del carburante dei jet da combattimento e dei veicoli poteva essere migliorata riducendo il loro peso, ma questo spesso li rendeva meno solidi strutturalmente. La nuova tecnologia permette ai produttori di scavare una parte per renderla più leggera e più efficiente dal punto di vista del carburante e incorporare strutture interne che forniscono una maggiore resistenza alla trazione, durata e resistenza all’impatto. E nuovi materiali che hanno una maggiore resistenza al calore e alle sostanze chimiche possono essere utilizzati in vari punti di un prodotto, a seconda delle necessità.

In altre industrie, l’uso della produzione additiva per prodotti più personalizzati e in rapida evoluzione avrà ramificazioni per il modo in cui le offerte sono commercializzate. Cosa succede al concetto di generazioni di prodotti – per non parlare del clamore intorno a un lancio – quando le cose possono essere aggiornate continuamente durante le stampe successive piuttosto che nei salti quantici richiesti dai maggiori costi di attrezzaggio e dai tempi di configurazione della produzione convenzionale? Immaginate un futuro prossimo in cui l’intelligenza artificiale basata sul cloud aumenta la capacità della produzione additiva di cambiare o aggiungere prodotti istantaneamente senza riattrezzarli. I cambiamenti in tempo reale nella strategia di prodotto, come il mix di prodotti e le decisioni di design, diventerebbero possibili. Con un adattamento così rapido, quali nuovi vantaggi dovrebbero essere al centro delle promesse del marchio? E come potrebbero i dipartimenti di marketing prevenire la deriva del marchio senza perdere le vendite?

Operazioni, riottimizzate.

La strategia delle operazioni comprende tutte le questioni di come un’azienda comprerà, produrrà, sposterà e venderà le merci. Le risposte saranno molto diverse con la produzione additiva. Una maggiore efficienza operativa è sempre un obiettivo, ma può essere raggiunto in molti modi. Oggi la maggior parte delle aziende che contemplano l’uso della tecnologia fanno un’analisi finanziaria frammentaria di opportunità mirate per scambiare attrezzature e progetti 3-D dove questi possono ridurre i costi diretti. Guadagni molto più grandi arriveranno quando amplieranno le loro analisi per considerare il costo totale di produzione e le spese generali.

Quanto si potrebbe risparmiare tagliando le fasi di assemblaggio? O riducendo le scorte attraverso la produzione solo in risposta alla domanda reale? O vendendo in modi diversi – per esempio, direttamente ai consumatori attraverso interfacce che permettono loro di specificare qualsiasi configurazione? In un mondo ibrido di metodi di produzione vecchi e nuovi, i produttori avranno molte più opzioni; dovranno decidere quali componenti o prodotti passare alla produzione additiva, e in quale ordine. Quanto vicini dovrebbero essere a quali clienti? Come possono essere consegnati gli ordini altamente personalizzati con la stessa efficienza con cui vengono prodotti? La stampa dovrebbe essere centralizzata negli stabilimenti o dispersa in una rete di stampanti presso i distributori, i rivenditori, sui camion o anche nelle strutture dei clienti? Forse tutte queste cose. Le risposte cambieranno in tempo reale, adattandosi ai cambiamenti dei cambi, dei costi della manodopera, dell’efficienza e delle capacità delle stampanti, dei costi dei materiali, dell’energia e delle spese di spedizione.

Una distanza di viaggio più breve per prodotti o parti non solo fa risparmiare denaro; fa risparmiare tempo. Se sei mai stato costretto a lasciare il tuo veicolo in un’officina mentre il meccanico aspetta un pezzo, lo apprezzerai. BMW e Honda, tra le altre case automobilistiche, si stanno muovendo verso la produzione additiva di molti strumenti industriali e parti di automobili di uso finale nelle loro fabbriche e concessionarie, soprattutto perché nuovi materiali in metallo, plastica composita e fibra di carbonio diventano disponibili per l’uso nelle stampanti 3-D. I distributori di molti settori stanno prendendo nota, desiderosi di aiutare i loro clienti commerciali a capitalizzare le nuove efficienze. UPS, per esempio, si sta basando sulla sua attuale attività di logistica per conto terzi per trasformare i suoi magazzini negli hub aeroportuali in mini-fabbriche. L’idea è quella di produrre e consegnare parti personalizzate ai clienti secondo necessità, invece di dedicare ettari di scaffali a vasti inventari. Se già viviamo in un mondo di gestione dell’inventario just-in-time, ora vediamo come le cose JIT possono diventare. Benvenuti alla gestione istantanea dell’inventario.

Infatti, date tutte le potenziali efficienze della produzione additiva altamente integrata, la gestione dei processi aziendali può diventare la capacità più importante in circolazione. Alcune aziende che eccellono in quest’area costruiranno sistemi di coordinamento proprietari per assicurarsi un vantaggio competitivo. Altre adotteranno e aiuteranno a modellare pacchetti standard creati da grandi società di software.

Ecostemi riconfigurati.

Infine viene la questione di dove e come l’impresa si inserisce nel suo ambiente di business più ampio. Qui i manager affrontano gli enigmi di Chi siamo? e Cosa dobbiamo possedere per essere chi siamo? Man mano che la produzione additiva permette alle aziende di acquisire stampanti che possono fare molti prodotti, e che la capacità inattiva viene scambiata con altre aziende che offrono prodotti diversi, le risposte a queste domande diventeranno molto meno chiare. Supponiamo che abbiate file di stampanti nella vostra struttura che costruiscono parti di automobili un giorno, attrezzature militari il giorno dopo, e giocattoli il giorno dopo. Di quale industria fate parte? I confini tradizionali si confonderanno. Eppure i manager hanno bisogno di un forte senso del ruolo dell’azienda nel mondo per prendere decisioni su quali asset investire o dismettere.

Potrebbero trovare le loro organizzazioni che si evolvono in qualcosa di molto diverso da quello che sono state. Poiché le aziende sono liberate da molti dei requisiti logistici della produzione standard, dovranno guardare di nuovo al valore delle loro capacità e altre risorse e come queste completano o competono con le capacità degli altri.

L’opportunità della piattaforma

Una posizione nell’ecosistema si dimostrerà essere la più centrale e potente – e questo fatto non è sfuggito ai team di gestione dei più grandi attori già nel business della produzione additiva, come eBay, IBM, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys e 3D Systems. Molti sono in lizza per sviluppare le piattaforme su cui altre aziende costruiranno e si collegheranno. Sanno che il ruolo di fornitore di piattaforme è il più grande obiettivo strategico che potrebbero perseguire e che è ancora molto in palio.

Le piattaforme sono una caratteristica importante nei mercati altamente digitalizzati del 21° secolo, e la produzione additiva non farà eccezione. Qui i proprietari di piattaforme saranno potenti perché è probabile che la produzione stessa abbia meno importanza nel tempo. Già alcune aziende stanno creando “fattorie di stampanti” a contratto che effettivamente mercificheranno la produzione di prodotti su richiesta. Anche i preziosi disegni per prodotti stampabili, essendo puramente digitali e facilmente condivisibili, saranno difficili da tenere stretti. (A questo proposito, i dispositivi di scansione 3-D renderanno possibile il reverse-engineering dei prodotti catturando le informazioni del loro design geometrico).

Tutti nel sistema avranno un interesse a sostenere le piattaforme su cui la produzione è orchestrata in modo dinamico, i progetti sono memorizzati e continuamente migliorati, le forniture di materie prime sono monitorate e acquistate, e gli ordini dei clienti sono ricevuti. Coloro che controllano l’ecosistema digitale si troveranno nel mezzo di un enorme volume di transazioni industriali, raccogliendo e vendendo informazioni preziose. Si impegneranno nell’arbitraggio e divideranno il lavoro tra parti fidate o lo assegneranno all’interno dell’azienda quando sarà il caso. Scambieranno capacità di stampa e progetti in tutto il mondo, influenzando i prezzi controllando o reindirizzando il “flusso di affari” per entrambi. Come gli arbitraggisti delle materie prime, finanzieranno gli scambi o compreranno a poco e venderanno a tanto con le informazioni asimmetriche che otterranno dalla supervisione di milioni di transazioni.

La responsabilità di allineare la capacità dispersa con la crescente domanda del mercato ricadrà su un piccolo numero di aziende e se l’intero sistema deve funzionare in modo efficiente, alcune dovranno farsi avanti. Cercate gli analoghi di Google, eBay, Match.com e Amazon che emergeranno come motori di ricerca, piattaforme di scambio, mercati di marca e intermediari tra stampatori di produzione additiva, designer e depositi di design. Forse anche il trading automatizzato verrà alla luce, insieme ai mercati per lo scambio di derivati o futures sulla capacità delle stampanti e dei progetti.

In sostanza, quindi, i proprietari dei beni di produzione basati sulle stampanti saranno in competizione con i proprietari delle informazioni per i profitti generati dall’ecosistema. E in un ordine abbastanza breve, il potere migrerà dai produttori ai grandi integratori di sistemi, che creeranno piattaforme di marca con standard comuni per coordinare e sostenere il sistema. Promuoveranno l’innovazione attraverso l’open sourcing e l’acquisizione o la partnership con aziende più piccole che soddisfano alti standard di qualità. Le piccole aziende possono davvero continuare a provare nuovi approcci interessanti ai margini, ma avremo bisogno di grandi organizzazioni per supervisionare gli esperimenti e poi spingerli ad essere pratici e scalabili.

La storia digitale replicata

Pensando alla rivoluzione in corso nella produzione additiva, è difficile non riflettere su quella grande tecnologia di trasformazione che è internet. In termini di storia di quest’ultima, potrebbe essere giusto dire che la fabbricazione additiva è solo nel 1995. I livelli di hype erano alti quell’anno, ma nessuno immaginava come il commercio e la vita sarebbero cambiati nel decennio successivo, con l’arrivo del Wi-Fi, degli smartphone e del cloud computing. Pochi prevedevano il giorno in cui l’intelligenza artificiale e i sistemi software basati su Internet avrebbero potuto gestire le fabbriche – e persino le infrastrutture cittadine – meglio delle persone.

Il futuro della produzione additiva porterà sorprese simili che potrebbero sembrare strettamente logiche col senno di poi ma che sono difficili da immaginare oggi. Immaginate come nuove stampanti altamente capaci potrebbero sostituire lavoratori altamente qualificati, spostando intere aziende e persino paesi basati sulla produzione verso una produzione senza persone. Nelle “organizzazioni di macchine”, gli umani potrebbero lavorare solo per assistere le stampanti.

E quel futuro arriverà rapidamente. Una volta che le aziende mettono un dito nell’acqua e sperimentano i vantaggi di una maggiore flessibilità di produzione, tendono a tuffarsi in profondità. Come la scienza dei materiali crea più sostanze stampabili, più produttori e prodotti seguiranno. Local Motors ha recentemente dimostrato che può stampare una bella roadster, comprese le ruote, il telaio, il corpo, il tetto, i sedili interni e il cruscotto, ma non ancora la trasmissione, dal basso verso l’alto in 48 ore. Quando andrà in produzione, la roadster, compresa la trasmissione, avrà un prezzo di circa 20.000 dollari. Man mano che il costo delle attrezzature e dei materiali 3-D scende, i restanti vantaggi dei metodi tradizionali nelle economie di scala stanno diventando un fattore minore.

Ecco cosa ci possiamo aspettare con fiducia: Entro i prossimi cinque anni avremo sistemi di produzione additiva completamente automatizzati, ad alta velocità e in grandi quantità, che sono economici anche per parti standardizzate. Grazie alla flessibilità di questi sistemi, la personalizzazione o la frammentazione in molte categorie di prodotti decollerà, riducendo ulteriormente la quota di mercato della produzione di massa convenzionale.

I business leader intelligenti non stanno aspettando che tutti i dettagli e le eventualità si rivelino. Possono vedere abbastanza chiaramente che gli sviluppi della produzione additiva cambieranno il modo in cui i prodotti sono progettati, realizzati, acquistati e consegnati. Stanno facendo i primi passi nella riprogettazione dei sistemi di produzione. Stanno immaginando le rivendicazioni che si giocheranno nell’ecosistema emergente. Stanno prendendo i molti strati di decisioni che si aggiungeranno al vantaggio in un nuovo mondo di stampa 3-D.

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