Negli ultimi due anni, la crisi dei microchip, i ritardi nei trasporti e i blocchi della produzione hanno fatto aumentare vertiginosamente i prezzi delle automobili, sia nuove che usate. Manutenzione e revisione di routine sono diventate fondamentali per garantire che i veicoli continuino a funzionare senza problemi. Dorman Products, un’azienda che realizza da più di cent’anni pezzi di ricambio per autoveicoli leggeri e pesanti, ha iniziato a utilizzare la stampa 3D per accelerare le tempistiche di produzione e aumentare la qualità. Sfruttando otto stampanti 3D suddivise tra due sedi, riesce a stare al passo con la continua aggiunta di nuovi marchi e modelli delle aziende produttrici di componenti originali (OEM).
Chris Allebach, direttore della produzione additiva di Dorman, ed Eric Tryson, responsabile del team di progettazione meccanica, utilizzano le stampanti stereolitografiche (SLA) di Formlabs Form 2, Form 3 e Form 3L, oltre a diverse stampanti a modellazione a deposizione fusa, per eseguire la prototipazione rapida di nuovi articoli e creare dime e fissaggi personalizzati per i processi di validazione.
“Le OEM del settore automobilistico possono contare su interi team per progettare una singola parte, a volte iniziando a lavorare due anni prima dell’uscita di una nuova auto. Dobbiamo trovare il modo di garantire che le nostre parti di ricambio siano affidabili, ma possano essere immesse sul mercato velocemente. La rapidità con cui possiamo eseguire iterazioni e correzioni con la stampa 3D ha aperto la strada a progetti che in passato sarebbero stati irrealizzabili. Ci dà molta fiducia sapere che alla fine otterremo parti di alta qualità”, afferma Allebach.
Creazione di oltre 100 000 prodotti
Al 25 dicembre 2021, il database di Dorman contava 118 000 parti diverse per centinaia di veicoli: una gamma di prodotti davvero sconfinata. “Siamo in grado di realizzare la maggioranza dei componenti di un’automobile, con una produzione media annuale che si aggira intorno alle 4000-5000 parti nuove”, dichiara Tryson.
I prodotti Dorman spaziano da chiavi elettroniche e componenti base per motori a moduli elettronici complessi e parti per veicoli pesanti. Dorman analizza i difetti delle parti originali e sottopone a ingegneria inversa i prodotti, in alcuni casi trasformando completamente il design e migliorandolo.
Come primo passaggio, il processo di progettazione richiede una riproduzione digitale delle parti in modo da poterne modificare il design. In seguito, queste vengono inviate al laboratorio di metrologia di Dorman, dove viene migliorata la precisione utilizzando scanner laser senza contatto o sonde a contatto. I dati di riferimento vengono quindi ritrasmessi al team di Allebach e Tryson, che sottopone le parti a ingegneria inversa usando il software SolidWorks.
“Per permettere ai team di progettazione di ricontrollare geometria e dimensioni e garantire che siano corrette, creiamo rapidamente un prototipo, dopodiché ne realizziamo un altro in 3D che verrà esaminato dagli ingegneri di prodotto. Per loro è fondamentale toccare la parte con mano, poterla ispezionare visivamente e verificarne la compatibilità con i componenti corrispondenti del veicolo”, afferma Tryson.
Il dipartimento di Allebach e Tryson non si occupa solo di sostituzioni. Nel caso della linea OE FIX di Dorman, le parti hanno anche lo scopo di migliorare il design originale. “Non si tratta solo di ingegneria inversa, ma di analizzare e determinare il motivo per cui una parte si è guastata e come può essere migliorata. Potremmo anche arrivare a modificare i materiali o a cambiare il progetto in generale. Per riprogettare una parte è fondamentale eseguire la prototipazione e tutti i test funzionali del caso”, spiega Tryson.
Prototipazione per una parte OE FIX
Prendiamo il caso di un componente del motore soggetto a guasti frequenti. Originariamente realizzato in plastica, sviluppava spesso crepe a causa dell’esposizione prolungata al calore. Il team di Dorman ha analizzato la parte, l’ha scansionata nel laboratorio di metrologia e infine ha deciso di riprogettarla in alluminio colato. La progettazione con un materiale diverso non significava semplicemente sostituire la plastica con l’alluminio: la parte doveva anche essere idonea alla colata a pressione. Per garantire le stesse prestazioni dopo la riprogettazione, sono state eseguite numerose prototipazioni e test rigorosi di ogni iterazione.
“Realizzare queste iterazioni in un paio d’ore e poterne fare due in un giorno è estremamente utile. Prima della stampa 3D era davvero difficile ottenere subito un risultato perfetto. Spesso passavano settimane o mesi prima di trovare l’articolo giusto. Poi, una volta prodotta la prima versione, ci rendevamo conto che aveva ancora bisogno di qualche aggiustamento prima della distribuzione”, spiega Tryson. Una volta eseguita la prototipazione in-house di un design, Dorman passava ai test funzionali per garantire che il funzionamento della parte fosse uguale.
Processo di validazione
Poiché ciascun prodotto ha una funzione diversa, ogni protocollo di test e processo di validazione è unico. Se i processi di validazione di due parti diverse richiedono entrambi il test del flusso di fluido, ad esempio, serviranno fissaggi appositi per tenerle in posizione a causa delle diverse geometrie.
“Creare fissaggi di prova è la specialità delle stampanti Formlabs, che possono stampare con qualsiasi materiale, dalla Elastic Resin alla Rigid 10K Resin e molti altri. Tutto ciò è straordinario, sia dal punto di vista dei costi che da quello dei tempi di realizzazione”, afferma Chris Allebach.
Prima di integrare le stampanti 3D nel workflow, la necessità di fissaggi personalizzati costituiva un ostacolo per uno sviluppo rapido. Per un’azienda come Dorman, che deve stare al passo con la produzione annuale di nuovi modelli da parte delle OEM, rallentare la produzione avrebbe significato perdere importanti opportunità commerciali.
Poiché ogni prodotto richiedeva fissaggi specifici, che non potevano essere ordinati in grandi quantità, non era possibile ricorrere a una soluzione economica come lo stampaggio a iniezione. L’unica opzione era la lavorazione meccanica, che è onerosa in termini di tempo e denaro. L’azienda doveva assicurarsi che il design fosse perfetto, mandarlo in lavorazione e aspettare settimane prima di riceverlo, dopodiché si poteva portare a termine la validazione delle parti.
“Per fissaggi e calibri dovevamo affidarci a un’officina esterna, con tempi di attesa tra le cinque e le sei settimane. In termini economici, il costo per parte era dalle cinque alle dieci volte superiore e la geometria era limitata dalle tecniche di produzione tradizionali. Attualmente, con le stampanti 3D, sviluppiamo i fissaggi e i calibri di prova insieme alla prototipazione del prodotto, in modo che quando decidiamo il design definitivo, possiamo avere anche i fissaggi per testarlo. Cerchiamo di essere il più proattivi possibile”, dice Allebach.
Un processo di validazione richiedeva due fissaggi di prova stampati in 3D per eseguire un test su un tubo pressurizzato. Uno serviva per chiudere un’estremità del tubo e far scorrere un fluido al suo interno fino ai limiti di pressurizzazione. L’altro serviva per simulare la geometria corrispondente, ovvero un radiatore di grandi dimensioni montato nel vano motore di un’automobile. Poter stampare in 3D soltanto la porzione corrispondente del radiatore consentiva al team una maggiore libertà di manovra, ma significava anche poter inviare la parte alla linea di produzione e far eseguire in loco i test di validazione delle parti appena prodotte come ulteriore processo di controllo qualità.
“Se il componente corrispondente è un radiatore gigante, non occorre acquistare uno o più articoli interi, basta semplicemente rimuovere una piccola sezione. In questo modo possiamo concentrarci solo sulla parte che ci serve, produrla in massa e in seguito distribuirla. In fin dei conti, se una parte si rompe, bastano solo un paio di dollari per stamparne una nuova”, dice Tryson.
Una grande efficienza con un facile ritorno d’investimento
Dorman ha acquistato la prima stampante FDM dieci anni fa. Da allora, Allebach e Tryson hanno continuato ad aggiungere stampanti, sfruttando al massimo la capacità di ciascuna unità e utilizzando l’intero catalogo di materiali sulle proprie stampanti SLA Formlabs.
Nonostante al 25 dicembre 2021 il fatturato annuo globale di Dorman sfiorasse gli 1,35 miliardi di dollari, gli acquisti di attrezzature dovevano sempre essere giustificati. “Abbiamo scelto la Form 2 per la finitura superficiale e la precisione dimensionale che offre. Nel nostro caso, abbiamo ammortizzato il costo nel giro di due mesi. Quando prepariamo una giustificazione dei costi o calcoliamo il ritorno d’investimento per le stampanti Formlabs, riusciamo a rientrare della spesa in pochi mesi invece che in un arco di due anni. Questo dà alla dirigenza la certezza che la stampa 3D è un buon investimento”, dichiara Tryson.
Con questa stessa certezza, Tryson e Allebach hanno deciso un anno fa di investire nella loro prima stampante di grande formato, la Form 3L, che come gli altri apparecchi rimane in funzione per 10-12 ore al giorno, a volte anche durante la notte. Avendo la libertà di usare qualsiasi resina inclusa nel catalogo, riescono a ottenere proprietà meccaniche ottimali sia per le parti grandi che per quelle piccole, semplificando il workflow.