La terra promessa della stampa 3D

La Terra Promessa è generalmente intesa come la terra d’Israele, che, secondo l’Antico Testamento biblico, Dio promise e successivamente donò ad Abramo e più volte alla sua discendenza. Metaforicamente parlando, l’idea di una terra promessa è anche adatta per descrivere il potenziale della stampa 3D, poiché l’industria AM cresce cercando di fornire un modo migliore, più efficiente e più sostenibile di produrre tutti i tipi di oggetti e parti. Quindi non dovrebbe sorprendere il fatto che molte aziende di stampa 3D israeliane siano tra i leader mondiali nello sviluppo di nuove tecnologie AM.

È iniziato con Objet (ora fusa con Stratasys) ma anche prima era la stampa 2D digitale di grande formato presso Indigo e Scitex (ora parte di HP), ponendo le basi per i processi di stampa 3D basati su jetting. Questa enorme base di conoscenza ha fatto germogliare molte nuove startup (e continua a farlo). Alcuni sono stati fondati poco dopo la fusione Stratasys-Objet: aziende come XJet e Massivit stanno ora iniziando a raccogliere i frutti di quasi un decennio di sviluppo avanzato su tecnologie uniche.

Una nuova generazione di aziende di stampa 3D israeliane sta ora entrando nel mercato, portando soluzioni innovative che consentiranno ad AM di penetrare in segmenti di produttività più elevati. Stiamo parlando, ad esempio, di aziende come 3DM, Largix e Tritone, tra le altre, che stanno dando una svolta davvero originale e ribaltando la situazione su processi AM consolidati come il polimero LFAM, la stampa 3D di metalli e compositi o il laser polimerico PBF.

Stratasys, leader globale del mercato della stampa 3D, si distingue da tutte le altre aziende di stampa 3D israeliane, fornendo un esempio di resilienza e successo, anche contro le numerose sfide che hanno caratterizzato la crescita del settore AM. Oltre alle due tecnologie di base (FDM e Polyjet), Stratasys ha recentemente aggiunto una nuova fusione a letto di polvere termica (SAF) all’avanguardia, SLA e fotopolimerizzazione DLP ad alta velocità senza strati (processo PPP di Origin) al suo PolyJet (materiale jetting) e (principalmente con sede negli Stati Uniti) tecnologie di estrusione di filamenti industriali.

Queste non sono le uniche aziende di stampa 3D israeliane che promuovono lo stato dell’arte dell’AM nei mercati globali: ne esistono altre e ne stanno emergendo continuamente ma, anche se si tratta di un paese piccolo e ben collegato, c’è poco tempo per visitare tutto. Ma ci abbiamo provato, quindi andiamo.

Leadership di mercato consolidata

Stratasys è il leader globale nel mercato della stampa 3D. Sebbene in passato l’azienda abbia attraversato momenti difficili, rimane leader di mercato ed è in grado di fornire una gamma in costante crescita di soluzioni, prodotti e applicazioni attraverso un’ampia gamma di tecnologie. La parte israeliana dell’azienda si concentra sul business delle resine e il quartier generale di Rehovot è il luogo in cui vengono sviluppate tutte le nuove attività di ricerca e sviluppo e le nuove applicazioni per l’affermata attività PolyJet, nonché per gli SLA recentemente introdotti (Neo da RPS e materiali Covestro/DSM) e materiali ad alta attività DLP (Origin) ad alta velocità.

Sebbene la produzione dell’hardware avvenga in una struttura remota separata a Kiryat Gat, la tecnologia e l’applicazione Polyjet rimangono l’obiettivo principale per il quartier generale di Rehovot (che è stato votato tra i migliori edifici architettonicamente in Israele). Polyjet esiste da due decenni, ma la sensazione è che Stratasys abbia solo iniziato a grattare la superficie del suo pieno potenziale. Rispetto a pochi anni fa, ci sono molti più sistemi sul mercato, compresi quelli molto specifici per segmenti (per il tessile, dentale, medicale) e quelli molto più accessibili (più veloci, più piccoli, più convenienti) come il nuovi J55 e J35, con tecnologia a vassoio rotante.

Tessendo le linee di AM

Ciò si traduce in due attività che Stratasys ha identificato come fondamentali per l’adozione di massa di Polyjet. Il primo è la stampa su tessuti. Quello che è iniziato come un progetto esplorativo (abbiamo coperto la sua genesi quando la stampante 3D dedicata, la J850 Tech Style, è stata lanciata alla Milano Design Week) sta diventando un’importante opportunità di business e quella in cui la proposta di valore della stampa 3D è più evidente. Non è facile stampare in modo efficace, accurato e preciso motivi complessi sui tessuti e assicurarsi che aderiscano, ma la tecnologia sembra ora aver raggiunto un livello di qualità sufficiente per raggiungere la piena commercializzazione. Se l’industria della moda decidesse di adottarlo in maniera massiccia, sarebbe un enorme passo avanti. Sebbene sul mercato esistano tecnologie di getto di materiale a colori concorrenti, nessuno può avvicinarsi al livello dei sistemi J850 Tech Style dedicati di Stratasys in quest’area.

Dare un morso alla torta più grande

L’altro segmento importante a cui Stratasys si rivolge con molteplici prodotti e numerose innovazioni è l’industria dentale. I sistemi legacy Eden sono stati tra i prodotti più popolari per l’industria dentale, ma ora molti più concorrenti sono entrati nel mercato anche se il numero di applicazioni dentali e di utenti ha continuato a crescere. Stratasys offre diversi sistemi per la produzione di parti dentali, fino al gigante J4100 per la produzione di massa e con un’enfasi particolare sul J5 DentaJet. Questo sistema compatto a colori è l’elemento chiave della partnership recentemente annunciata con il produttore di scanner 3D intraorali 3shape per un flusso di lavoro digitale basato su 3MF su modelli dentali a colori. Ora siamo abbastanza certi che l’IDS di quest’anno si terrà a Colonia, in Germania, rappresenterà un’importante pietra miliare per l’attività odontoiatrica di Stratasys, così come lo sarà per molte altre società AM.

I futuri leader crescono

La tecnologia Polyjet, come quella offerta da Stratasys, è la tecnologia di stampa 3D tecnologicamente più avanzata oggi sul mercato e l’unica in grado di offrire un controllo dei materiali a livello di voxel. Allo stesso tempo, i materiali utilizzati per le applicazioni PolyJet sono costosi e non sufficientemente durevoli per una produzione più elevata, il che li rende ideali per la prototipazione avanzata, la modellazione e l’attrezzaggio, ma non per le parti finali. Per Stratasys, non era sempre strategicamente importante produrre parti finali industriali finali e durevoli tramite Polyjet poiché poteva farlo tramite la sua attività FDM utilizzando termoplastiche ingegnerizzate. Così sono emerse nuove società di stampa 3D israeliane, fondate da ex dipendenti di Objet, che miravano ad applicare le loro conoscenze di material jetting in nuovi modi o a nuovi tipi di materiali.

XJet

Con il getto di nanoparticelle, XJet è la più grande e meglio finanziata tra queste aziende di stampa 3D israeliane di “seconda generazione”. L’azienda ha lanciato un nuovo processo in grado di lanciare nanoparticelle di ceramica e metallo per produrre parti verdi dense che possono essere successivamente facilmente sinterizzate per ottenere le parti finali. La tecnologia offre una velocità di stampa paragonabile al binder jetting metallico, ma la capacità di spruzzare una soluzione a base acquosa di nanoparticelle metalliche o ceramiche su una piattaforma (piuttosto che legante a getto su una polvere) offre diversi vantaggi. Ad esempio, non dover gestire polveri fini disordinate (i materiali XJet sono forniti in contenitori chiusi), per spruzzare solo il materiale necessario (in modo che non sia necessario il riciclaggio della polvere).

Inoltre, poiché le parti verdi sono molto dense, possono essere sinterizzate a temperature più basse, per tempi più brevi e un ritiro molto inferiore, ottenendo superfici lisce e dettagli estremamente elevati con pareti sottili. Lo svantaggio di offrire un processo così avanzato e unico è che la messa a punto dei sistemi XJet Carmel per garantire un alto livello di ripetibilità ha richiesto molto tempo. Il lato positivo è che, secondo Guy Zimmerman, Chief Marketing Officer di XJet, quel momento è arrivato ed è giusto in tempo per sfruttare la rinnovata attenzione del settore alle tecnologie AM in metallo non PBF causata dall’introduzione del metal binder jetting di HP GE e Desktop Metal sistemi per la produzione ad alto rendimento.

Una cosa che è stata chiaramente visibile durante la nostra visita all’AMC (Additive Manufacturing Center) di XJet a Rehovot, rispetto all’ultima volta che siamo stati qui nel 2019, è stato il maggior numero di stampanti 3D in funzione. Ancora più importante, abbiamo visto un numero molto più elevato di parti metalliche e ceramiche prodotte in serie, soprattutto considerando che l’azienda non offre servizi AM ma sviluppa solo applicazioni per clienti attuali o potenziali. Mentre il numero di materiali disponibili è limitato a Zirconia e Acciaio, la qualità, la levigatezza della superficie e la precisione di queste parti sono state impressionanti.

Massivit

Massivit è sul lato opposto dello spettro della stampa 3D israeliana. Come Stratasys, l’azienda lavora con i polimeri, soprattutto quelli non durevoli nei primi giorni. La differenza è che Massivit ha sviluppato la sua tecnologia PIL per produrre parti molto grandi, rapidamente ea costi relativamente bassi. Il processo GDP funziona polimerizzando un materiale in resina mentre viene estruso e depositato su una piattaforma di costruzione in una camera che può facilmente ospitare due esseri umani a grandezza naturale. Dall’ultima volta che l’abbiamo visitata nel 2015, l’azienda ha fatto molta strada, con una struttura di uffici ampliata e diverse nuove linee di prodotti ora sul mercato, oltre al primo sistema Massivit 1800. Ciò è in parte dovuto al fatto che nel febbraio 2021 Massivit, che elenca Stratasys tra i suoi investitori, ha raccolto 52 milioni di dollari (169 milioni di NIS) in un’IPO alla Borsa di Tel Aviv.

Con le sue capacità di modellazione di grande formato, Massivit ha iniziato prendendo di mira i mercati automobilistico, marittimo, ferroviario, dell’arredamento, pubblicitario e aerospaziale. Complessivamente, ha venduto più di 180 stampanti in 40 paesi in tutto il mondo e ha accumulato un volume di vendite di oltre 58 milioni di dollari nel terzo trimestre del 2022. Durante i nove mesi fino a settembre 2022, Massivit ha venduto 19 stampanti rispetto alle 14 stampanti nello stesso periodo del 2021 – un aumento del 36%.

Nel 2022 Massivit ha anche introdotto una nuova tecnologia, che chiama Cast in Motion nel nuovo sistema Massivit 10000, per il quale ha ottenuto 28 preordini (non vincolanti). Questo processo consente la produzione diretta di strumenti epossidici altamente complessi all’interno di un guscio stampato in 3D staccabile e potrebbe segnare una rivoluzione nel settore degli utensili compositi. Le prime 3 stampanti Massivit 10000 sono state vendute a clienti del settore aerospaziale (Kanfit in Israele), articoli da bagno di lusso (Lione USA) e automobilistico (Novation Tech in Italia). Al Formnext è stato rilasciato un nuovo sistema, il 10000-G, che consente sia i processi PIL stand-alone che Cast-in-Motion nella stessa macchina.

Affrontare le esigenze del mercato di nuova generazione

Mentre aziende di stampa 3D israeliane come XJet e Massivit sono emerse come spin-off della base di conoscenza tecnologica di Objet, il mercato AM ha continuato ad evolversi. Molti operatori hanno capito che l’unica direzione in cui l’AM può continuare a crescere è soddisfare l’esigenza di scalabilità, maggiore produttività ed economicità trovando nuove applicazioni in cui l’AM può garantire una proposta di valore più forte rispetto ai metodi di produzione tradizionali. In questo contesto, due tecnologie si sono dimostrate le più idonee a rispondere a queste esigenze: il polimero PBF e LFAM (fabbricazione additiva di grande formato).

3DM e PBF laser veloce

La necessità di laser multipli migliori, più veloci nei processi PBF polimerici è evidente affinché la tecnologia sia in grado di soddisfare mercati di produttività più elevata e competere adeguatamente con processi rivali come MJF, SAF e HSS (collettivamente indicati come PBF termico). Secondo l’ultimo Polymer AM Market Report di 3dpbm, anche se le tecnologie PBF termiche entreranno a far parte del mercato PBF, soprattutto in termini di ricavi hardware generati, le soluzioni laser PBF continueranno a rappresentare la stragrande maggioranza delle unità vendute.

3DM intende soddisfare il numero crescente di aziende e sistemi laser PBF che entrano nel mercato offrendo una nuova soluzione laser a cascata quantica (QCL) che cambia radicalmente il modo in cui il sistema laser funziona nel processo additivo PBF polimerico. A differenza dei laser CO2 comunemente utilizzati nei processi SLS standard (che richiedono l’aggiunta di un materiale specifico alla polvere polimerica per facilitare l’assorbimento di energia), la testa del raggio 3DM opera su frequenze ottimali per la fusione dei termoplastici.

Ecco perché ci riferiamo a questo processo come laser polimero PBF (LP-PBF) e non semplicemente SLS: la testa del raggio 3DM scioglie completamente la polvere, non si limita a sinterizzarla. Può farlo perché il sistema ha il controllo completo del meltpool. Ogni testa del raggio 3DM integra quattro diversi raggi laser che convergono in un unico raggio. Fino a quattro di queste teste del raggio possono essere integrate in un unico grande sistema laser PBF, ottenendo velocità e precisione estreme. Inoltre, poiché il sistema 3DM consente la regolazione della frequenza laser per ottenere risultati ottimali, può adattarsi rapidamente a un’infinita varietà di nuovi materiali, aprendo possibilità senza precedenti per le aziende e gli utilizzatori di polimeri PBF in un’area (la qualificazione di nuovi materiali) dove le tecnologie PBF termiche concorrenti continuano a lottare.

Largix

Proprio come 3DM (ma in un modo molto diverso) Largix utilizza i laser per cambiare radicalmente il processo di deposizione di polimeri termoplastici per la tecnologia e le applicazioni LFAM (produzione additiva di grande formato). Il sistema Largix utilizza un sistema a portale di grandi dimensioni relativamente standard e lo integra con una testina di stampa per estrusione laser ad altissima tecnologia.

La grande differenza, rispetto a tutti gli altri sistemi di estrusione di polimeri LFAM sul mercato, è che Largix non utilizza pellet o filamenti di stampa 3D e non estrude uno spesso strato arrotondato di materiale. La testina di stampa Largix utilizza invece grandi bobine di “strisce” di materiale termoplastico squadrate: quattro di queste vengono alimentate in macchina contemporaneamente e saldate tra loro da un laser che fonde la superficie esterna di ciascuna striscia, facendole aderire al strato inferiore, la cui superficie viene anch’essa fusa dal raggio laser e quindi pressata insieme. Il risultato è uno strato piatto, rettangolare, che aderisce perfettamente al precedente. Per superfici ancora migliori, Largix integrerà un sistema CNC in grado di tagliare tutto il materiale in eccesso durante la costruzione.

Questo approccio consente numerose innovazioni significative, che rendono questa tecnologia unica e molto pronta per l’uso finale. Il primo è che può utilizzare materiali termoplastici standard, compresi quelli più diffusi ed economici come il polipropilene (PP) e il polietilene (PE) standard. La seconda è che la maggior parte del materiale stampabile (eccetto la sua superficie esterna) rimane relativamente fredda, quindi il processo è estremamente veloce. Un altro vantaggio, che può sembrare controintuitivo, è che gli strati si uniscono più fortemente rispetto all’estrusione standard a causa del fatto che sia la superficie dello strato precedente che quella attuale vengono fuse dal raggio laser.

Tutti questi elementi rendono la tecnologia di Largix ideale per produrre pezzi di grande formato, anche non eccessivamente complessi, in maniera automatizzata ed economica. Le opportunità qui sono grandi quanto la tecnologia, che è scalabile quasi all’infinito e le esploreremo ulteriormente in futuro.

Un appetito per il futuro

L’ultima parte di questo reportage sulle aziende di stampa 3D israeliane si concentra su una delle applicazioni potenziali più futuristiche (e per molti versi affascinanti) della stampa 3D: la produzione di carne coltivata a base di proteine ​​vegetali o di agricoltura cellulare. Israele è uno dei luoghi al mondo che ha la più alta concentrazione di startup di carne alternativa e molte di queste hanno sede a Rehovot. 3dpbm tiene traccia di questo segmento da anni, da quando abbiamo pubblicato la nostra prima analisi della stampa 3D alimentare nel 2014, e abbiamo visto crescere il numero di aziende agricole cellulari che lavorano con la tecnologia di stampa 3D elencate nel nostro Indice fino a 19. Due di questi rappresentano al meglio due approcci diametralmente diversi alla carne stampata in 3D.

Alimentazione della macchina

Redefine Meat utilizza diversi tipi di proteine ​​di origine vegetale per stampare in massa in 3D prodotti multimateriale la cui consistenza è più complessa rispetto a pepite, polpette e hamburger di base. L’azienda ha già stabilito una presenza con prodotti commerciali in supermercati e ristoranti in Israele e nel Nord Europa, con il suo più grande impianto di produzione in Olanda.

Il quartier generale di Rehovot è il luogo in cui la tecnologia di estrusione e deposizione multimateriale viene messa a punto e vengono testati nuovi materiali. L’impianto di produzione era interdetto durante la nostra visita, ma si trova nello stesso edificio (quello in cui si trovava originariamente XJet, prima di trasferirsi nel nuovo quartier generale dall’altra parte della strada nel 2019).

Non siamo riusciti a trovare i prodotti Redefine Meat nel supermercato Rehovot e un ristorante di Gerusalemme che avrebbe dovuto servirli non li aveva a disposizione (ma altri che non potevamo visitare hanno confermato di averli). Quindi non possiamo dire che sapore ha la carne ridefinita. Tuttavia, il modello di business dell’azienda sembra abbastanza solido e non dipende da materiali cellulari difficili da ottenere. Nella macchina vengono “alimentate” diverse paste vegetali per ottenere i tagli, che vengono conservati in grandi congelatori come lo sarebbe una qualsiasi carne.

Una fabbrica di bioprinting

Ad affittare un ufficio a due piani nell’edificio Stratasys è Aleph Farms, un’azienda che sta lavorando allo sviluppo di prodotti che imitano i veri prodotti a base di carne integrando diversi materiali cellulari e persino la vascolarizzazione nel suo processo di bioprinting. Non è un compito facile. Finora l’azienda è riuscita a produrre prodotti simili alla carne non stampati in 3D che combinano un’impalcatura a base di proteine ​​vegetali e materiali cellulari coltivati ​​in laboratorio per un vero sapore di carne. Le cellule vengono coltivate in un incubatore standard e quindi applicate all’impalcatura proteica vegetale.

Ci sono molte sfide in questo approccio e alcune, come la necessità di siero bovino, sono già state risolte (non è presente alcun prodotto di origine animale Le maggiori sfide ora per le aziende di Aleph Meat (e tutta l’agricoltura cellulare) sono la scalabilità della produzione cellulare e il ridimensionamento della produttività per prodotti a base di carne più avanzati (quindi prodotti che ne integrano la consistenza).

È impossibile in questo momento prevedere quando e come verranno affrontati, ma questo è vero per molte nuove tecnologie. Un tempo questo era il caso delle batterie dei veicoli elettrici e dei razzi riutilizzabili (poi è arrivato Elon Musk) ed è stato – ed è ancora – il caso della fusione nucleare (ma i progressi sono in corso e stanno accelerando). Tuttavia, proprio come in tutti questi esempi, un’enorme domanda (in questo caso di carne non di origine animale) è un driver sufficiente per garantire che gli investimenti continuino ad arrivare per quelle aziende che mostrano progressi. Questo progresso avverrà attraverso diverse applicazioni, con carne completamente biostampata, prodotta in serie, multimateriale e vascolarizzata probabilmente vista come la Terra Promessa alla fine di una lunga linea temporale. Da queste parti il ​​conteggio degli anni inizia 5.783 anni fa, che sarà mai qualcuno in più?