Additive Manufacturing: cos’è, come funziona e perché è strategico per l’industria

A differenza dei metodi di produzione tradizionali basati sulla sottrazione di materiale, l'AM costruisce un oggetto strato dopo strato, partendo dal vuoto, garantendo libertà di progettazione e personalizzazione senza precedenti.

• Powder Bed Fusion (PBF)
  Il PBF è un processo dominante nell'industria del metallo. Implica la fusione selettiva di sottili livelli di polveri metalliche (o polimeriche) mediante un laser (come nella Selective Laser Melting, SLM) o un fascio di elettroni (Electron Beam Melting, EBM). I gas di protezione, come l'argon o l'azoto, sono essenziali in questo processo per prevenire l'ossidazione del metallo fuso e garantire la qualità del pezzo finale.
• Fused Deposition Modeling (FDM)
  Conosciuta anche come Fused Filament Fabrication (FFF), l'FDM è una delle tecnologie più diffuse. Un filamento di materiale termoplastico viene riscaldato ed estruso attraverso un ugello, depositando il materiale strato per strato per ottenere l'oggetto.
• Stereolitografia (SLA, DLP)
  Queste tecnologie utilizzano un laser (SLA) o un proiettore digitale (DLP) per polimerizzare selettivamente una resina liquida fotosensibile, creando strato per strato l'oggetto solido.
• Direct Energy Deposition (DED)
  Il DED costruisce componenti fondendo il materiale (filo o polvere) mentre viene depositato attraverso un ugello, utilizzando un laser, un fascio di elettroni o un arco elettrico come fonte di energia. È ideale per la riparazione di grandi componenti o per aggiungere materiale a pezzi esistenti.
• Binder Jetting
  In questo processo, un agente legante liquido viene depositato selettivamente su uno strato di polveri (metalliche o ceramiche) per legarle insieme. I pezzi vengono poi sinterizzati in un forno per raggiungere la densità e le proprietà desiderate.
• Laminated Object Manufacturing (LOM)
  Il LOM impiega livelli sottili di materiale (come carta, plastica o metallo) che vengono tagliati con un laser o un plotter e poi laminati insieme.

Materiali per la produzione additiva: metalli, polimeri e altro

La disponibilità di diverse tipologie di materiali è un fattore chiave per l'espansione dell'Additive Manufacturing. Le quattro principali famiglie di materiali sono in continua evoluzione, con innovazioni che spingono il settore verso nuove applicazioni.

• Polimeri termoplastici
  Questi materiali, come ABS, Nylon, PEEK e PLA, sono ampiamente utilizzati nella stampa 3D per la prototipazione rapida e la produzione di componenti funzionali grazie alla loro versatilità e al costo contenuto.
• Metalli (acciaio, titanio, alluminio, leghe)
  I metalli sono al centro dell'interesse industriale per l'AM. Le polveri metalliche sono fondamentali per tecnologie come PBF e DED, permettendo la produzione di componenti leggeri e resistenti per settori esigenti. Air Liquide supporta la produzione di polveri metalliche di alta qualità attraverso soluzioni di atomizzazione gas.
• Ceramiche e materiali compositi
  Le ceramiche offrono resistenza alle alte temperature e all'usura, mentre i materiali compositi combinano diverse proprietà per ottenere prestazioni specifiche, ampliando ulteriormente il campo di applicazione dell'AM.
• Materiali biochimici e avanzati
  La ricerca sta esplorando l'uso di materiali bio-compatibili e materiali avanzati per applicazioni innovative nel campo medicale e oltre.

Vantaggi dell'Additive Manufacturing per l'industria

L'Additive Manufacturing offre una serie di vantaggi significativi che rispondono alle esigenze e alle problematiche dell'industria moderna, andando oltre la semplice riduzione degli sprechi e la libertà di progettazione.

1. Produzione decentralizzata e just-in-time
   La capacità di stampare componenti su richiesta e in loco riduce la dipendenza dalla logistica e dai magazzini centralizzati, facilitando una produzione più agile e reattiva alle fluttuazioni del mercato.
2. Riduzione dei costi di magazzino
   Minore necessità di scorte fisiche e di pezzi di ricambio, poiché i componenti possono essere prodotti quando e dove servono, portando a una significativa riduzione dei costi di magazzino.
3. Personalizzazione di massa
   L'AM consente la produzione efficiente di componenti altamente personalizzati senza costi aggiuntivi significativi, soddisfacendo le richieste specifiche dei clienti in settori come il medicale (protesi su misura) o l'automotive (parti uniche).
4. Migliore time-to-market
   La prototipazione rapida e la capacità di realizzare direttamente componenti funzionali abbreviano drasticamente i cicli di sviluppo del prodotto, permettendo alle aziende di immettere più velocemente le loro innovazioni sul mercato.

Innovazione nei materiali e performance

L'AM facilita l'uso di materiali avanzati e la creazione di strutture interne complesse, portando a componenti più leggeri, più resistenti e con prestazioni superiori rispetto a quelli ottenuti con metodi tradizionale. I gas industriali ottimizzano diverse fasi critiche, garantendo la riproducibilità e la qualità dei pezzi.

Applicazioni dell’Additive Manufacturing nei settori industriali

L'Additive Manufacturing sta trovando applicazione in una vasta gamma di settori, trasformando i processi e i prodotti.

• Aerospaziale: produzione di componenti leggeri e ad alta resistenza per aerei e veicoli spaziali, contribuendo alla riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di carbonio.
• Automotive: realizzazione di prototipi, componenti personalizzati e parti complesse per veicoli, migliorando le prestazioni e riducendo il peso.
• Medicale e biomedicale: creazione di protesi, impianti e strumenti chirurgici personalizzati in base alle specifiche esigenze del paziente, migliorando l'efficacia dei trattamenti.
• Energia e impiantistica: produzione di componenti per turbine, scambiatori di calore e altre infrastrutture energetiche, ottimizzando l'efficienza e la durata.
• Industria chimica e farmaceutica: fabbricazione di microreattori, componenti per apparecchiature e strumenti di laboratorio con geometrie ottimizzate.

Qualità dei manufatti e post-trattamenti

La qualità finale dei componenti è fondamentale nell'Additive Manufacturing, e i post-trattamenti giocano un ruolo essenziale per ottenere le proprietà desiderate.

Rugosità, tolleranze, resistenza
Dopo la stampa, i pezzi possono presentare una certa rugosità superficiale e richiedere lavorazioni aggiuntive per ottenere le tolleranze dimensionali e la resistenza meccanica richieste.

Trattamenti estetici e funzionali (sabbiatura, lucidatura, verniciatura, ecc.)
Diverse operazioni di finitura, come la sabbiatura, la lucidatura e la verniciatura, sono utilizzate per migliorare l'aspetto estetico e le proprietà funzionali del pezzo.

Controllo qualità e standard ISO
Il controllo qualità è integrato in ogni fase del processo, con l'adozione di standard ISO per garantire la conformità e l'affidabilità dei componenti stampati in 3D. I gas possono essere utilizzati in alcuni post-trattamenti, come i trattamenti termici in atmosfera controllata, per ottimizzare le proprietà del metallo.

Ruolo dei gas industriali nell'Additive Manufacturing

Air Liquide è un partner chiave nell'Additive Manufacturing, fornendo soluzioni gas innovative che garantiscono la qualità, la sicurezza e l'efficienza dei processi. I gas industriali sono essenziali in diverse fasi della produzione, dall'atomizzazione delle polveri fino ai post-trattamenti.

• Gas di protezione per metalli reattivi (argon, azoto)
  L'argon e l'azoto sono vitali per proteggere il metallo fuso dall'ossidazione e dall'umidità durante la produzione, specialmente nelle tecnologie a letto di polveri. L'argon, più denso dell'aria, rimuove efficacemente fumi e scorie, mentre l'azoto favorisce la stabilizzazione della microstruttura per alcuni acciai.
• Atmosfere controllate durante la produzione
  Il controllo dell'atmosfera all'interno delle macchine di stampa è cruciale. L'uso di gas inerti come argon o azoto previene reazioni indesiderate con il materiale e assicura un ambiente puro per la produzione di componenti di alta qualità.
• Raffreddamento, pulizia e sicurezza
  I gas svolgono anche un ruolo nella dissipazione del calore generato dal laser o dal fascio di elettroni. L'elio, grazie alla sua alta conducibilità termica, è particolarmente efficace nelle tecnologie ad alta potenza come l'EBM per un raffreddamento rapido e per evitare la carica elettrostatica delle polveri. Sistemi avanzati monitorano le concentrazioni di ossigeno e umidità per garantire la sicurezza degli operatori e la purezza del processo.
• Trattamenti termici post-produzione
  Dopo la stampa 3D, trattamenti termici in atmosfera controllata con gas come azoto o argon possono migliorare significativamente le proprietà meccaniche dei componenti metallici, come la durezza e la resistenza.
• Soluzioni integrate per linee additive
  Air Liquide offre soluzioni complete, dalla fornitura di gas di alta purezza alla progettazione e installazione di sistemi di distribuzione e monitoraggio dei gas, supportando i clienti dall'inizio alla fine per ottimizzare l'intero processo additivo.

Tendenze e sviluppi futuri della manifattura additiva

Il futuro dell'Additive Manufacturing è caratterizzato da continue innovazioni. Si prevede una maggiore automazione e integrazione nella "smart factory" (Industria 4.0), rendendo i processi ancora più efficienti. La sostenibilità diventerà un ruolo sempre più centrale, con un'attenzione crescente al riciclo delle polveri e all'utilizzo di materiali provenienti da risorse naturali o riciclate. L'AM continuerà a espandere le sue applicazioni, spingendo i confini della produzione industriale.

Quali sono le principali tecnologie di Additive Manufacturing?

Le principali tecnologie includono Powder Bed Fusion (PBF), Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolitografia (SLA/DLP), Direct Energy Deposition (DED), Binder Jetting e Laminated Object Manufacturing (LOM).

Come l'Additive Manufacturing può migliorare la produzione nell'industria aerospaziale e automobilistica?

L'Additive Manufacturing consente di realizzare componenti più leggeri e complessi, riducendo i costi di carburante e le emissioni nell'aerospaziale. Nel settore automobilistico, permette la produzione di componenti personalizzati e la prototipazione rapida, migliorando le prestazioni e accelerando l'innovazione.

L'Additive Manufacturing può sostituire i metodi di produzione tradizionali?

L'Additive Manufacturing non mira a sostituire completamente i metodi di produzione tradizionali, ma si integra con essi. Offre vantaggi unici per la produzione di pezzi complessi, personalizzati e ad alta qualità in piccolo o medio volume, agendo come una tecnologia complementare e strategica per ottenere i migliori risultati nell'Industria 4.0.