La manifattura additiva è una grande innovazione ampiamente sperimentata in settori industriali come quello aerospaziale, automobilistico ma utilizzata anche in ambito sanitario ed energetico. Un tale interesse ha spinto la Commissione Europea ad avviare un progetto, Integradde, che punta ad una nuova metodologia di produzione. Capiamo nello specifico cos’è la manifattura additiva e quali sono gli obiettivi del progetto europeo.
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Gli obiettivi della manifattura additiva
Le lavorazioni meccaniche rivolte alla produzione di componenti di metallo o altri materiali richiedono un processo che può partire da un blocco solido per poi modellarlo tramite sottrazione di materiale – ad esempio utilizzando la tornitura, la fresatura o altra lavorazione con macchine CNC o laser – oppure procedere in senso inverso addizionando materiale a partire da zero, tipo una stampante 3D per intenderci. In quest’ultimo caso, parliamo di manifattura additiva o Additive Manufacturing in Inglese.
La manifattura additiva è resa possibile dall’innovazione introdotta nel comparto manifatturiero con il passaggio dei processi dall’analogico al digitale. Oggi, la progettazione e il disegno dei componenti avviene tramite software di computer grafica che digitalizzano il lavoro dei progettisti. Il file generato, può essere poi tradotto in istruzioni per le macchine che dovranno effettuare la lavorazione, sia nel processo sottrattivo che nel processo additivo. Strato dopo strato, si aggiunge materiale al pezzo con precisione millimetrica finché non si raggiunge la figura prevista dal progettista.
Manifattura additiva: gli standard di riferimenti definiti dall’ISO
Le modalità, con le quali il processo di manifattura additiva viene concluso, differiscono tra loro e, per non creare confusione, la International Organization for Standardization (ISO) ha ideato degli standard di riferimento – sette per la precisione – che andremo brevemente ad analizzare. Fonte ISO/ASTM. A seguito delle sintesi ho riportato un link di approfondimento delle tematiche tecniche.
- Fotopolimerizzazione o Stereolitografia – Vat polymerisation: la tecnica permette la creazione di oggetti tridimensionali solidificando la resina con emissioni di radiazioni UV. Per questa tecnica si utilizzano resine fotosensibili.
- Getto di materiale – Material Jetting: strato dopo strato, centinaia di microgoccioline vengono depositate, attraverso una testina di stampa, solidificandosi e costituendo uno dei tanti strati che comporranno il pezzo.
- Getto di leganti – Binder Jetting: considerato uno dei processi di manutenzione additiva (AM) più rapidi, questo metodo utilizza il materiale in forma di polvere e un legante. Il materiale viene applicato alla piattaforma di stampa con un rullo e la testina provvede a erogare il legante.
- Modellazione a deposizione fusa – Material Extrusion: questo è il metodo più comune nelle stampanti 3D per uso domestico dove il filo di materiale viene riscaldato e depositato dalla testina di stampa con flusso continuo creando i vari strati che comporranno l’oggetto.
- Fusione selettiva di metalli – Powder Bed Fusion : uno strato di polveri applicato sulla piattaforma viene fuso attraverso una fonte di energia termica tipo un raggio di elettroni o un raggio laser. Successivamente, la stessa operazione viene riprodotta per i vari strati.
- Produzione oggetti laminati – Sheet lamination: di questo metodo ne esistono due varianti: Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) e Laminated Object Manufacturing (LOM). Le differenze sono nel materiale utilizzato e nel processo di incollaggio. Posizionando il materiale su un letto di taglio, gli strati vengono incollati e la forma viene tagliata con un coltello o un laser.
- Deposizione ad energia diretta – Direct Energy Deposition (DED): come nel caso del Powder Bed Fusion, anche la DED utilizza una fonte di energia focalizzata per fondere il materiale ma in questo caso il materiale viene fuso nello stesso momento nel quale viene depositato dall’ugello.
Ho riportato per ultimo il metodo DED non perché sia il meno utilizzato, anzi, nell’elenco degli standard ISO/ASTM è rappresentato per primo. L’ho fatto perché è il metodo sul quale la Commissione Europea ha focalizzato la propria azione di spinta attraverso il progetto Integradde e sembra il più interessante in ambito europeo.
Il progetto Integradde della Commissione UE: come funziona
L’additive manufacturing è un viatico per agevolare la creazione di un ecosistema digitale dove il design di pezzi certificati può diventare un’operazione condivisa. Per questo, la Commissione Europea ha deciso di investire fondi nello sviluppo di una “Intelligent data-driven pipeline for the manufacturing of certified metal parts through Direct Energy Deposition process” ovvero un sistema interconnesso e digitale con delle precise regole di sicurezza per favorire l’interscambio e l’interoperabilità tra aziende afferenti alla filiera manifatturiera.
Dal punto di vista funzionale, Integradde appare come un ecosistema connesso e guidato dai dati dove le aziende della filiera possono partecipare a vari livelli della catena di creazione del valore.
L’obiettivo dichiarato è sviluppare una nuova metodologia di produzione in grado di garantire la producibilità, l’affidabilità e la qualità di un componente metallico target sin dalla progettazione iniziale del prodotto.
Come mostra la figura, partendo dalla progettazione al punto 1, si arriva al punto finale 7 che approva e certifica il componente. Tutte le fasi sono gestite attraverso una pipeline digitale e sicura che consente la piena interoperabilità delle operazioni della filiera.
In tale ciclo si distinguono le seguenti innovazioni chiave:
- Thread digitale protetto che consente un approccio di sistema olistico per una perfetta integrazione dell’intero flusso di lavoro per la Manifattura Additiva (AM).
- Tecnologie CAD/CAM all’avanguardia e open source che supportano la progettazione, la modellazione e la pianificazione dei processi per la produzione additiva.
- Strategia di produzione Quality-by-design (QbD) che combina sistemi di controllo qualità online, sistemi autoadattativi e consumo ridotto di materie prime.
- Analisi dei dati e machine learning per l’ottimizzazione operativa e l’efficienza nella progettazione del prodotto e nella simulazione del processo AM mediante la produzione di nuove parti metalliche certificate.
- CAD/CAM indipendente dall’hardware che supporta infrastrutture sia nuove che legacy.
- Ibridazione delle tecnologie AM con tecnologie di fabbricazione precedenti e successive.
- Procedure di standardizzazione e certificazione di prodotto avallate dal flusso informativo fornito dal thread digitale lungo la filiera produttiva del prodotto.
E a leggere gli importi investiti e i soggetti coinvolti, si capisce che l’elemento AM è considerato strategico per il progresso del comparto manifatturiero europeo.
I settori di applicazione della Manifattura Additiva
Industria Aerospaziale
Le aziende aerospaziali sono state tra le prime ad adottare la produzione additiva. In questo campo, esistono alcuni dei più severi standard di prestazione del settore, dato che le parti riprodotte dovranno reggere in condizioni difficili. Le applicazioni comuni includono i condotti dei sistemi di controllo ambientale, i componenti personalizzati interni degli aerei, i componenti dei motori a razzo, le camicie dei combustori, gli strumenti per i compositi, i serbatoi di olio e carburante e i componenti degli UAV.
Industria automobilistica
L’industria dei trasporti ha bisogno di componenti che resistano a test severi e siano sufficientemente leggeri da evitare inutili frizioni e trascinamenti. Con un’ampia gamma di materiali robusti ad alta temperatura, le tecnologie di produzione additiva e la capacità di costruire geometrie molto complesse, le aziende di trasporto stanno solo grattando la superficie di ciò che può essere prodotto in tal modo per i loro veicoli.
Alcune delle applicazioni, che hanno trasformato il settore, includono componenti complessi che non possono essere fabbricati con metodi di produzione convenzionali: prototipi resilienti, modelli elastomerici, griglie, caratteristiche interne personalizzate e pannelli di grandi dimensioni.
Settore sanitario
L’industria medica, in rapida evoluzione, sta utilizzando soluzioni di manifattura additiva per fornire innovazioni a medici, pazienti e istituti di ricerca. I produttori utilizzano l’ampia gamma di materiali di stampa 3D ad alta resistenza e biocompatibili, rigidi o flessibili e opachi o trasparenti, per personalizzare il design come mai prima d’ora.
Dai prototipi funzionali, con modelli anatomici realistici, ai componenti utilizzati in ambito chirurgico, la produzione additiva sta aprendo la strada a progressi prima impensabili per i dispositivi salvavita. Le maggiori applicazioni riguardano i dispositivi implantari ortopedici, gli impianti dentali, modelli pre-chirurgici da scansioni tomografiche computerizzate TC, seghe e guide di perforazione personalizzate, custodie e strumentazione specialistica.
Industria energetica
Altro settore interessato è quello energetico, in cui la manifattura additiva sta entrando grazie alla sua capacità di sviluppare rapidamente componenti mission-critical su misura in grado di resistere a condizioni estreme. Esempi in questo ambito sono: rotori, statori, ugelli di turbine, componenti e modelli di strumenti per il fondo del foro, analisi del flusso di fluido, parti di misuratori di portata, modelli di motori per fanghi, pezzi di manometri, componenti di valvole di controllo e collettori di pompe. Fonte Stratasys.
Come ultima nota, l’utilizzo della manifattura additiva, nel settore dei prodotti rivolti ai consumatori, sta portando grandi benefici nella fase di go-to-market. Grazie alle sue capacità di prototipazione rapida, si riesce a simulare l’aspetto grafico del prodotto finale durante le revisioni del design. In questo modo, si ha una dimostrazione più concreta delle idee progettuali.
Conclusioni
Sarà perché è insito nel nostro DNA, il sentirci Europei uniti è sempre stato uno dei nostri obiettivi. Il progetto Integradde è anch’esso un’espressione di questa nostra propensione ad aggregarci in ambito manifatturiero attraverso la creazione di un ecosistema olistico che, sfruttando l’innovazione tecnologica digitale, connetta le imprese manifatturiere. In questo modo, si consente una collaborazione spinta fino al livello produttivo e non limitata solo a tutto ciò che afferisce alle dinamiche amministrative.
La manifattura additiva è un’innovazione che promette una spinta evolutiva a un comparto troppo spesso legato alla tradizione e che lascia trasparire la sempre più pregnante voglia di integrazione Europea. E’ anche per questo che ho accettato, con piacere e onore, l’invito a diventare parte del progetto come esperto esterno e ambassador: perché io all’Europa unita ci credo fino in fondo.
