La rivoluzione della stampa 3D

La stampa industriale 3D è giunta a un punto critico, nel senso che sta per diventare di uso comune. Quasi tutti i dirigenti e molti ingegneri non se ne rendono conto, ma questa tecnologia è già ben oltre il prototyping, l’attrezzaggio rapido, i ninnoli e i giocattoli. La “produzione additiva” sta creando prodotti durevoli e sicuri da vendere a clienti reali in quantità che andranno da moderate a consistenti.

L’inizio della rivoluzione appare evidente in un’indagine condotta nel 2014 da PWC su un campione di oltre cento aziende industriali. All’epoca dell’indagine, l’11% erano già passate alla produzione seriale di componenti o prodotti stampati in 3D. Secondo gli analisti del Gartner Group, una tecnologia è “di uso comune” quando raggiunge un livello di adozione del 20%.

Tra le numerose aziende che usano la stampa 3D per incrementare la produzione vi sono GE (motori aerei, apparecchi medicali e componenti per elettrodomestici), Lockheed Martin e Boeing (industria aerospaziale e difesa), Aurora Flight Sciences (veicoli aerei senza pilota), Invisalign (apparecchiature dentali), Google (servizi informatici) e l’olandese LUXeXcel (lenti per diodi a emissione di luce, o Led). Di fronte a questi sviluppi, McKinsey ha spiegato recentemente che la stampa 3D «è pronta a uscire dal suo status di nicchia per diventare una valida alternativa ai processi produttivi convenzionali in un numero sempre maggiore di applicazioni». Nel 2014, le vendite in volume di stampanti 3D per uso industriale negli Stati Uniti erano già un terzo delle vendite di macchine per l’automazione industriale e di robot. Alcune proiezioni danno questa percentuale in aumento al 42% entro il 2020.

Altre aziende seguiranno a breve, visto che la gamma dei materiali stampabili continua ad allargarsi. Oltre alle plastiche di base e alle resine fotosensibili, essi includono già ceramica, cemento, vetro, metalli e leghe metalliche, e nuovi composti termoplastici che contengono nanotubi e fibre al carbonio. Alla fine, gli indiscutibili benefici economici convinceranno i ritardatari. Anche se con questi metodi e con questi materiali i costi diretti di produzione dei beni sono spesso più elevati, la maggiore flessibilità consentita dall’additive manufacturing fa sì che i costi totali possano essere sensibilmente inferiori.

A fronte di questo mutamento rivoluzionario, i manager dovrebbero porsi degli interrogativi strategici a tre livelli.

Primo, i fornitori di prodotti tangibili dovrebbero domandarsi come si potrebbero migliorare le loro offerte, anche con il contributo dei concorrenti. Fabbricare un oggetto strato per strato, sulla base di un “progetto” digitale scaricato su una stampante, consente non solo una flessibilità illimitata, ma anche soluzioni tecniche sempre più complesse.

Secondo, le aziende industriali devono rivisitare le loro operations. Poiché la produzione additiva crea un’infinità di nuove opzioni su come, quando e dove fabbricare prodotti e componenti, quale network di asset logistici e quale mix di processi vecchi e nuovi sarebbero ottimali?

Terzo, i leader devono considerare le implicazioni strategiche del fatto che interi ecosistemi commerciali iniziano a formarsi intorno alle nuove realtà della stampa 3D. La nuova possibilità di atomizzare larghe fette dell’industria in un numero pressoché incalcolabile di piccoli “maker” è già stata abbondantemente sfruttata. Ma quella visione tende a oscurare uno sviluppo più sicuro e più importante: per consentire l’integrazione delle attività tra progettisti, produttori e movimentatori di beni si dovranno creare piattaforme digitali. Queste piattaforme faciliteranno inizialmente le attività di progettazione e stampa, la condivisione dei progetti e il downloading rapido. Poi orchestreranno il lavoro delle stampanti, il controllo di qualità, l'ottimizzazione in tempo reale delle reti di stampanti e gli scambi di capacità, solo per citare le più importanti. I fornitori di stampanti di maggior successo trarranno il massimo profitto dalla fissazione di standard e dalla messa a disposizione dei contesti in cui un ecosistema complesso può coordinare le risposte alle richieste del mercato. Ma tutte le aziende risentiranno dell’ascesa di queste piattaforme. Ci sarà un’aspra contesa tra aziende consolidate e nuovi entranti per acquisire quote dell’enorme valore creato dalla nuova tecnologia.

Queste domande stimolano fortemente il pensiero strategico, e ce n’è ancora un’altra: in che tempi accadrà tutto questo? Ecco, in un settore specifico, quanto rapidamente potrà verificarsi: secondo un Ceo del settore, l’industria americana dei supporti per non udenti si è convertita al 100% alla produzione additiva in meno di 500 giorni, e nessuna azienda che ha mantenuto i metodi produttivi tradizionali è sopravvissuta. I manager dovranno stabilire se conviene aspettare che questa tecnologia in rapida evoluzione maturi prima di effettuare certi investimenti o se il rischio dell’attesa è troppo alto. Le loro risposte differiranno, ma per tutti loro si può dire con certezza che il momento del pensiero strategico è adesso.

I vantaggi della produzione additiva

Non è facile immaginare che questa tecnologia possa modificare gli standard odierni di produzione in serie. Le presse tradizionali a iniezione, per esempio, possono sfornare migliaia di pezzi all’ora. Per contro, chi ha visto le stampanti 3D azionate dagli hobbysti trova spesso comicamente lenta la creazione degli oggetti strato per strato. Ma gli ultimi progressi della tecnologia stanno modificando drasticamente l’ambiente produttivo.

Forse qualcuno non ricorda come mai la fabbricazione in serie è tanto rapida. Quei pezzi escono velocemente perché sono stati effettuati grossi investimenti per mettere in linea tutte le macchine e gli strumenti necessari. La prima unità è oltremodo costosa da produrre, ma all’aumentare dei volumi il costo marginale diminuisce più che proporzionalmente.

La produzione additiva non offre nulla di paragonabile a quella economia di scala. Evita tuttavia la negatività della produzione seriale – la mancanza di flessibilità. Poiché ciascuna unità viene prodotta indipendentemente, si può modificare facilmente in funzione dei suoi bisogni specifici o, più generalmente, per apportarvi dei miglioramenti o per adeguarla all’evoluzione dei gusti. E creare il sistema di produzione è molto più semplice, perché le fasi necessarie sono molte meno. Ecco perché la stampa 3D si è rivelata così preziosa nella fabbricazione di prodotti mono-esemplare come prototipi e componenti. Ma la produzione additiva diventa sempre più logica anche su una scala maggiore. Gli acquirenti possono scegliere tra infinite combinazioni di forme, colori e dimensioni, e questa customizzazione non fa praticamente aumentare il costo per il produttore anche se gli ordini raggiungono livelli da produzione di massa.

Il vantaggio offerto dalla produzione additiva sta soprattutto in questo: i pezzi che un tempo si stampavano separatamente e poi si assemblavano, oggi si possono produrre già integrati. Un esempio banale è quello degli occhiali da sole: il processo 3D permette alla porosità e alla mescolanza della plastica di variare da un punto all’altro della montatura. Le stanghette escono morbide e flessibili, mentre le cornici delle lenti sono rigide. Non occorre assemblaggio.

La stampa tridimensionale di componenti e prodotti permette anche di progettarli con architetture più complesse, come l’intelaiatura a nido d’ape in un pannello di acciaio o geometrie in precedenza troppo intricate per una zigrinatura. Parti meccaniche complesse – una scatola del cambio, per esempio – possono essere fabbricate senza assemblaggio. I metodi additivi si possono usare per combinare parti e generare un dettaglio molto maggiore. Ecco perché GE Aviation si è messa a stampare gli ugelli del carburante di certi motori aerei. Prevede di produrne più di 45.000 dello stesso tipo all’anno, per cui si potrebbe assumere che i metodi produttivi tradizionali siano più idonei. Ma la stampa tridimensionale consente di fabbricare in un pezzo solo un ugello che prima si assemblava con venti pezzi fusi separatamente. GE dice che questo processo farà diminuire i costi di produzione del 75%.

La produzione additiva può anche usare più getti della stampante per stendere simultaneamente materiali diversi. Così Optomec e altre aziende stanno sviluppando materiali conduttivi e metodi per la stampa di microbatterie e circuiti elettronici direttamente nella o sulla superficie di apparecchi di elettronica da consumo. Ulteriori applicazioni includono apparecchi medicali, asset per il trasporto, componenti per l’industria aerospaziale, strumenti di misurazione, infrastrutture per le telecomunicazioni e tanti altri prodotti “intelligenti”.

L’enorme attrattiva rappresentata dalla limitazione dell’assemblaggio sta facendo diventare sempre più grandi le macchine per la produzione additiva. Nel caso più eclatante, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel e Oak Ridge National Laboratory stanno realizzando una partnership per sviluppare la capacità di stampare l’armatura interna e l’armatura esterna degli aerei da caccia, inclusi la fusoliera, le ali, i pannelli strutturali interni, i cavi e le antenne, e tra poco anche il piano di carico centrale. Il cosiddetto “big area additive manufacturing” rende possibile la fabbricazione di questi macro componenti con l’impiego di un’incastellatura gigantesca dai controlli computerizzati per posizionare le stampanti. Quando il processo otterrà la certificazione autorizzativa, l’unico assemblaggio richiesto sarà l’installazione di moduli elettronici plug-and-play per la navigazione, le comunicazioni e l’armamento, e dei sistemi di contromisura elettronica creati durante il processo di stampa. In Iraq e in Afghanistan le forze armate americane hanno usato droni fabbricati da Aurora Flight Sciences, che stampa l’intera fusoliera di questi veicoli aerei senza pilota – alcuni dei quali hanno un’apertura alare di 40 metri – in un’unica fase di produzione.

Una strategia tridimensionale

Questa breve illustrazione dei vantaggi che si accompagnano alla produzione additiva spiega la rapidità con cui le aziende la adotteranno – e gli ulteriori risparmi ottenibili sui costi di magazzinaggio, di spedizione e di utilizzo degli impianti ne favoriranno ancor più la diffusione. L’ovvia implicazione è che i manager di tutte le imprese dovrebbero tentare di prevedere come si adatteranno le loro organizzazioni, sulle tre dimensioni strategiche citate in precedenza.

Riprogettazione delle offerte. La strategia di prodotto è la risposta alla domanda più fondamentale che ci si possa porre nel business: “Cosa venderemo?” Le aziende dovranno chiedersi come servire meglio i propri clienti nell’era della produzione additiva. Quali elementi e quali caratteristiche si potranno aggiungere? Quali aspetti si potranno migliorare grazie all’eliminazione di vincoli o ritardi nelle consegne?

Per esempio, nelle industrie aerospaziale e automobilistica, la stampa 3D verrà usata quasi sempre per conseguire miglioramenti della performance. In precedenza, l’efficienza energetica dei caccia e degli autoveicoli poteva essere aumentata riducendone il peso, spesso a detrimento della solidità strutturale. La nuova tecnologia permette ai costruttori di svuotare un componente per renderlo più leggero e più efficiente a livello energetico e di incorporare strutture interne che assicurino maggiore resistenza alla trazione, durevolezza e resistenza all’impatto. E in vari punti del prodotto, secondo necessità, si possono usare i nuovi materiali che offrono più resistenza al calore e agli agenti chimici.

In altri settori, l’uso dell’additive manufacturing per prodotti più tagliati su misura e in più rapida evoluzione avrà implicazioni significative sulle modalità di commercializzazione delle offerte. Come si modifica il concetto di generazioni di prodotto – e a maggior ragione il battage pubblicitario che circonda un lancio – quando i prodotti si possono migliorare in continuazione con stampe successive anziché con i salti di qualità richiesti dai maggiori costi di riattrezzaggio e dai tempi di predisposizione della produzione convenzionale? Immaginate un futuro non lontano in cui l’intelligenza artificiale messa a disposizione dal cloud accrescerà la capacità della produzione additiva di modificare o aggiungere prodotti istantaneamente, senza bisogno di riattrezzaggi. Si potrebbe modificare in tempo reale la strategia di prodotto, prendendo per esempio decisioni sul mix e sul design dei vari prodotti. Con un adattamento così rapido, quali nuovi vantaggi si dovrebbero aggiungere alle promesse del brand? E come potrebbero i responsabili del marketing prevenire la deriva del brand senza perdere vendite?

Ri-ottimizzazione delle operations. La strategia operativa ingloba tutti i possibili interrogativi su come l’azienda acquisterà, fabbricherà, movimenterà e venderà i componenti e i prodotti. Le risposte saranno molto diverse con la produzione additiva. Una maggiore efficienza operativa è sempre un obiettivo, ma si può ottenere in tanti modi. Oggi quasi tutte le aziende che hanno in previsione l’utilizzo della tecnologia fanno un’analisi finanziaria delle singole opportunità di utilizzo delle stampanti 3D, laddove permettono di ridurre i costi diretti. Potranno mettere in previsione benefici finanziari molto maggiori quando estenderanno le proprie analisi al costo totale della produzione e alle spese generali.

Quanto si potrebbe risparmiare eliminando delle fasi di assemblaggio? O minimizzando le scorte attraverso la produzione on-demand? O vendendo con altre modalità - per esempio direttamente ai consumatori tramite interfacce che consentano loro di specificare qualunque tipo di configurazione? In un mondo ibrido in cui convivono vecchi e nuovi metodi di produzione, i produttori hanno molte più opzioni; dovranno decidere quali componenti o quali prodotti trasferire all’additive manufacturing, e in che ordine.

Altri interrogativi si porranno in merito all’ubicazione delle strutture operative. Quanto dovrebbero essere prossime ai clienti? In che misura degli ordini altamente customizzati si potranno consegnare con la stessa efficienza con cui verranno prodotti? La stampa 3D dovrebbe essere centralizzata nelle fabbriche o distribuita su una rete di stampanti, collocate presso i distributori, presso i dettaglianti, su camion o persino nelle unità produttive dei clienti? Forse si dovrebbero impiegare tutte queste soluzioni insieme. Le risposte si modificheranno in tempo reale, in linea con l’andamento del cambio, dei costi della manodopera, dell’efficienza e del potenziale produttivo delle stampanti, dei costi dei materiali, dei costi energetici e dei costi di spedizione.

Oltre che soldi, la minor distanza percorsa dai prodotti e dai componenti fa risparmiare anche tempo. Se vi è mai capitato di dover lasciare la macchina dal meccanico in attesa di un componente, lo sapete bene. Bmw e Honda, insieme ad altre case automobilistiche, stanno optando per la produzione additiva di molti attrezzi e componenti, sia nelle fabbriche sia nelle officine di riparazione - anche perché nuovi metalli, nuove plastiche composite e nuovi materiali in fibra di carbonio sono disponibili per l’utilizzo sulle stampanti 3D. I distributori ne prendono nota, ben lieti di aiutare i loro clienti a sfruttare economicamente le nuove efficienze. Ups, per esempio, sta impiegando la sua rete di partner logistici per trasformare i depositi che ha nei maggiori aeroporti in mini-fabbriche. L’idea è produrre e consegnare ai clienti componenti customizzati secondo necessità, invece di dedicare ettari di scaffali all'immagazzinaggio delle scorte. Se viviamo già in un mondo governato dal just-in-time di magazzino, abbiamo già un’idea di come può evolvere la logistica. Benvenuti nell’inventory management istantaneo.

In effetti, grazie alle efficienze potenziali della produzione additiva, la gestione dei processi operativi potrebbe diventare la capacità più importante in assoluto. Alcune aziende che eccellono in quest’area costruiranno sistemi esclusivi di coordinamento per assicurarsi un vantaggio competitivo. Altre adotteranno e contribuiranno a definire pacchetti standard creati da grandi aziende di software.

Riconfigurazione degli ecosistemi. Si pone infine la domanda di come e dove si inserisce l’azienda nel suo ambiente di business. Qui i manager cercano di rispondere alle domande “Chi siamo?” E “Cosa dobbiamo possedere per essere ciò che siamo?” Poiché la produzione additiva consente alle aziende di acquisire stampanti con cui si possono fabbricare molti prodotti, e la capacità non saturata viene scambiata con altri produttori, le risposte a queste domande saranno molto meno chiare. Supponete di avere in fabbrica file di stampanti che costruiscono componenti per autoveicoli un giorno, attrezzature militari il giorno dopo e giocattoli il giorno dopo ancora. In che settore operate? I confini tradizionali si attenueranno. Eppure i manager devono avere un senso ben preciso di quello che è il ruolo dell’azienda per prendere decisioni sugli asset in cui investire o da dismettere.

Potrebbero scoprire che le loro organizzazioni si evolvono in qualcosa di molto diverso da ciò che erano. Man mano che si libereranno da tanti dei vincoli logistici della produzione standardizzata, le aziende dovranno riesaminare il valore delle proprie capacità e di altre loro attività, e si dovranno domandare come integrano le capacità di altri produttori o come competono con esse.

L’opportunità offerta dalla piattaforma

Una posizione nell’ecosistema si dimostrerà la più centrale e la più potente – il che non sfugge ai gruppi dirigenti dei maggiori player già attivi nella produzione additiva, come eBay, Ibm, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys e 3D Systems. Molti stanno gareggiando per lo sviluppo delle piattaforme su cui altre imprese andranno a operare e a connettersi. Sanno che il ruolo di fornitore della piattaforma è l’obiettivo strategico più ambizioso a cui potrebbero aspirare, ed è ancora disponibile.

Le piattaforme sono una caratteristica preminente dei mercati altamente digitalizzati del XXI secolo, e la produzione additiva non fa eccezione. Qui i proprietari delle piattaforme avranno un ruolo realmente decisivo, perché con il tempo la produzione finirà per perdere importanza. Alcune aziende stanno già creando “colonie di stampanti” che arriveranno a commoditizzare la fabbricazione di prodotti on demand. Anche i preziosi modelli dei prodotti stampabili, totalmente digitali e facili da condividere, saranno difficili da tenere segreti. (Gli scanner 3D consentiranno il reverse engineering dei prodotti attraverso il recupero delle informazioni sulla progettazione geometrica).

Tutti i membri del sistema contribuiranno a sostenere le piattaforme su cui si orchestra dinamicamente la produzione, si archiviano e si migliorano costantemente i progetti, si monitorano e si acquistano le materie prime, e si ricevono gli ordini dei clienti. Quelli che controlleranno l’ecosistema digitale staranno al centro di volumi giganteschi di transazioni industriali, raccogliendo e vendendo informazioni preziose. Si dedicheranno all’arbitraggio e suddivideranno il lavoro tra partner fidati, o lo svolgeranno all’interno quando le circostanze lo consiglieranno. Negozieranno capacità produttiva e modelli di produzione 3D in tutto il mondo, influenzando i prezzi attraverso il controllo o il reindirizzo del “flusso negoziale” per entrambe le cose. Come gli arbitraggisti di commodity, finanzieranno degli scambi o acquisteranno a basso prezzo e venderanno ad alto prezzo grazie alle informazioni asimmetriche che otterranno supervisionando milioni di transazioni.

La responsabilità di allineare una capacità dispersa con la domanda sempre maggiore del mercato ricadrà sulle spalle di un numero limitato di aziende – e per assicurare il funzionamento efficiente del sistema, alcune dovranno farsi avanti. Emergeranno omologhi di Google, eBay, Match.com e Amazon come motori di ricerca, piattaforme di scambio, mercati di riferimento e intermediari legittimi tra produttori additivi, progettisti e detentori di modelli. Forse nascerà addirittura un trading automatizzato, insieme a dei mercati per il trading dei derivati o dei future sulla capacità e sui modelli di produzione.

In buona sostanza, dunque, i proprietari di asset produttivi 3D competeranno con i detentori di informazioni per i profitti generati dall’ecosistema. Di lì a poco, il potere si sposterà dai produttori agli integratori di grandi sistemi, che svilupperanno piattaforme affidabili con standard comuni per coordinare e supportare il sistema. Promuoveranno l’innovazione attraverso l’open sourcing e l’acquisizione di, o la partnership con, aziende più piccole che soddisfano standard elevati di qualità. Le piccole imprese potrebbero continuare a sperimentare marginalmente nuovi approcci interessanti - ma ci vorranno grandi organizzazioni per supervisionare gli esperimenti e poi renderli praticabili e operativi su vasta scala.

La storia digitale si replica

Riflettendo sulla rivoluzione in corso nella produzione additiva, è difficile non fare un paragone con quella grande tecnologia trasformativa che è Internet. Per continuare con il parallelismo, sarebbe corretto dire che la produzione additiva è ancora al 1995. In quell’anno si parlava molto di Internet, ma nessuno immaginava come sarebbero cambiati il commercio e la vita nel decennio successivo, con l’avvento del wi-fi, degli smartphone e del cloud computing. Erano in pochi a prevedere che un giorno l’intelligenza artificiale basata su Internet e dei sistemi software avrebbero potuto gestire le fabbriche - e anche le infrastrutture metropolitane - meglio delle persone.

Il futuro della produzione additiva creerà sorprese analoghe che con il senno di poi potrebbero apparire del tutto logiche, ma oggi sono difficili da concepire. Immaginate delle nuove stampanti ad alta capacità, potenzialmente in grado di sostituire operai specializzati e di trasformare intere aziende, e interi Paesi industriali, in produttori totalmente automatizzati. Nelle “organizzazioni governate dalle macchine”, gli esseri umani potrebbero limitarsi ad assistere le stampanti.

E quel futuro arriverà molto presto. Dopo aver saggiato la nuova tecnologia e sperimentato i vantaggi di una maggiore flessibilità produttiva, le aziende ci investiranno massicciamente. Con lo sviluppo di nuove sostanze stampabili grazie alla scienza dei materiali, entreranno in scena nuovi produttori e nuovi prodotti. Local Motors ha dimostrato recentemente di essere in grado di stampare una spider dalle linee accattivanti, con tanto di ruote, telaio, carrozzeria, sedili e cruscotto, ma ancora privo degli organi di trasmissione, in sole 48 ore. Quando entrerà in produzione, questo veicolo, con gli organi di trasmissione, costerà più o meno ventimila dollari. Poiché il costo delle attrezzature e dei materiali per la produzione 3D è destinato a diminuire, i vantaggi residui dei metodi tradizionali, che si ridurranno praticamente alle sole economie di scala, diverranno secondari.

Ecco ciò che possiamo aspettarci con una certa attendibilità: entro i prossimi cinque anni avremo sistemi di produzione additiva totalmente automatizzati, velocissimi e in grado di assicurare volumi elevati, dei sistemi che saranno economici anche per i componenti standardizzati. Grazie alla flessibilità di quei sistemi, la customizzazione o la frammentazione decollerà in molte categorie di prodotti, riducendo ulteriormente la quota di mercato della produzione convenzionale di massa.

I leader aziendali avveduti non aspetteranno di vedere tutti i dettagli e tutte le possibilità. Si rendono conto già oggi che gli sviluppi in atto nella produzione additiva modificheranno il modo in cui si progettano, si fabbricano, si acquistano e si consegnano i prodotti. Stanno facendo i primi passi verso la riconfigurazione dei sistemi produttivi. Stanno studiando il posizionamento da assumere nell’ecosistema emergente. Stanno prendendo le tante decisioni stratificate che determineranno un vantaggio competitivo nel nuovo mondo della stampa 3D.

Richard D’Aveni è Professore di Strategia alla Tuck School of Business del Dartmouth College.