Additive manufacturing, da scommessa a realtà produttiva consolidata

Additive manufacturing: applicazioni, materiali e punto di vista di alcuni esperti e utilizzatori di questa tecnologia.

L’additive manufacturing è diventato una tecnica produttiva consolidata per molte attività manifatturiere e non solo, che si sono impegnate in investimenti importanti in quest’ottica. La maggior parte ne ha fatto una scommessa con lo scopo di apprenderne i reali benefici, seppur con un costo iniziale molto elevato. Ad oggi, però, sono molti i casi di successo che rendono questa tecnologia altamente innovativa e rivoluzionaria. Chiaramente, l’additive manufacturing non avrà mai la pretesa di sostituire la produzione tradizionale (almeno non del tutto, per ora), ma di affiancarla laddove le tecniche per asportazione di truciolo o deformazione plastica risultassero costose o inadeguate.

L’ampia gamma delle potenziali applicazioni renderà sempre più economico realizzare parti con design complessi, con sottosquadri, strutture reticolari e molto altro (Figura 1). In particolare, è possibile avere dei componenti ibridi, in parte realizzate con le tecniche tradizionali e in parte con l’additive manufacturing, abbattendo tempi e costi di produzione.
Tecnologia di serraggio a punto zero per la produzione additiva

Se si vogliono ottenere risultati ottimali con additive manufacturing, è necessario considerare l’intera catena di processo. Il design del componente che si vuole realizzare non è più vincolato alla necessità di avere un blocco di materiale da lavorare, ma dalla funzione stessa del componente. «Nella lavorazione meccanica, il raffreddamento degli utensili è attualmente un aspetto cruciale», spiega Jürgen Förster, membro della direzione di AMF Andreas Maier.

La stampa 3D consente la realizzazione di canali di raffreddamento vicini ai bordi e non solo, anche nel caso di utensili di lavorazione, fusione o stampaggio a iniezione molto piccoli. L’integrazione di canali di raffreddamento ottimizzati negli strumenti garantisce un raffreddamento più rapido dei pezzi e consente di migliorare l’efficienza globale del sistema di produzione in esame.

Nel campo delle macchine e della tecnologia, sono le innovazioni che spingono avanti la produzione additiva, così come le reti costituite da un’ampia varietà di aziende, utenti e istituti di ricerca che stanno mettendo in comune le loro conoscenze per un fine comune, quello additivo. «La produzione in serie e un approccio olistico al processo svolgono un ruolo chiave – riferisce Förster. Qui, abbiamo iniziato a comunicare apertamente fin dalle prime fasi al fine di ottimizzare e standardizzare i vari step del processo in termini di tecnologia di serraggio. Il nostro sistema di serraggio a punto zero (Figura 1) offre la migliore interfaccia uniforme sia per il processo di stampa sia per la fase di processing»

Relativamente al futuro della stampa 3D in metallo, la fase “tentativi ed errori” sta ora lasciando il posto al desiderio di affidabilità e automazione dei processi. «In qualità di fornitore di soluzioni, stiamo già offrendo prodotti pronti per la serie che ottimizzano l’intero processo e lo rendono più economico», conclude Förster.

Figura 1 – Sistema di serraggio a punto zero per l’ottimizzazione del processo additivo e del successivo post processing.

Focus su digitalizzazione e nuovi materiali

Negli ultimi anni, l’industria si è concentrata sempre più sull’innalzamento dei livelli di produttività dei processi additivi. L’attenzione si è ora spostata verso la stabilità e la riproducibilità del processo. «Per questo motivo, l’osservazione del processo è diventata un fattore cruciale (Figura 2); in particolare, la coerenza dei formati dei dati tra le fasi del processo a monte ed a valle si sta rivelando sempre più determinante – riferisce Sebastian Bremen, esperto di stampa 3D presso il Fraunhofer ILT e professore di Produzione additiva presso l’Università di Scienze applicate di Aquisgrana . I progetti di ricerca IDEA e IDAM stanno sviluppando tali catene di processo per l’ingegneria delle turbomacchine e l’industria automobilistica».

Figura 2 – Realizzazione di un ingranaggio epicicloidale attraverso le tecniche a letto di polvere.

Allo stato attuale, solo pochi materiali in acciaio possono essere elaborati in modo additivo. L’acciaio ad alto tenore di carbonio, nello specifico provoca rotture a causa dei rapidi raffreddamenti e solidificazione in processi additivi come Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Per questo motivo, è più semplice elaborare tipi di acciaio austenitici e martensitici. Questi materiali sono utilizzati, ad esempio, nella produzione di portautensili con un rifornimento di lubrificante di raffreddamento intelligente. «La ricerca mira sia a identificare gli acciai ad alta resistenza per il processo additivo sia a rendere disponibili materiali di taglio adeguati come carburo di tungsteno-cobalto (TC-CO, ndr)», spiega Bremen.

Il progetto AiF AddSchneid, ad esempio, sta adottando un approccio interessante: gli emettitori di infrarossi vicini vengono utilizzati nel processo LPBF per riscaldare il componente fino a 800 ° C per evitare rotture. L’obiettivo è la produzione diretta di utensili da taglio allineati al profilo per la lavorazione con strutture integrate di fornitura di lubrificante. «Penso che la digitalizzazione continua dell’intera catena di processo, l’integrazione dei sensori per l’osservazione dei processi e per migliorare la stabilità dei processi, nonché l’intelligenza artificiale per la valutazione dei dati diventeranno sempre più importanti – afferma Bremen. È necessario, inoltre, sviluppare materiali che traggano vantaggio dai rapidi tassi di raffreddamento e solidificazione nei processi di additivi. Ciò contribuirà ad ampliare la gamma di applicazioni dei processi di stampa 3D».

Figura 4 – Applicazione nel campo medicale di una protesi in titanio realizzata su misura in titanio con certificazione biomedica. Tecnologia utilizzata, LPBF (Laser Powder Bed Fusion).

Nuovi materiali aprono possibilità illimitate

Figura 3 – Utensili con diametri molto piccoli e canali di raffreddamento interni realizzati ad hoc con la tecnologia LPBF.

Quasi nessun’altra tecnologia di produzione ha visto una rapida diffusione negli ultimi cinque anni come l’additive manufacturing. Lo sviluppo è stato non solo nel processo stesso, ma anche nelle relative capacità di progettazione, modelli di calcolo e strumenti di analisi. In passato, le superfici dovevano essere ampiamente rielaborate, ma oggi ciò può essere minimizzato o eliminato del tutto. Le tecniche di stampa 3D vengono utilizzate quando la produzione con metodi tradizionali è difficile o impossibile. «La nostra nuova campagna di prodotti presenta una serie di strumenti che non erano mai stati disponibili sul mercato prima – riferisce Erich Timons, cto e membro del consiglio di amministrazione di Iscar. Questi includono utensili con diametri molto piccoli (Figura 3). Quando devono essere prodotti utensili basati su inserti con canali interni per il refrigerante, i metodi convenzionali raggiungono rapidamente i limiti di ciò che è fattibile».

«L’attenzione in futuro sarà sull’uso di nuovi materiali additivi – conclude Timons. Ciò include la produzione additiva di metalli duri e ibridi. Al momento esiste un potenziale enorme, in quanto è possibile combinare proprietà del materiale completamente diverse».

di Salvatore Milana

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