Evoluzione di materiali e processi: quale futuro per la produzione additiva?

Quali sfide dovranno affrontare i produttori affinché la stampa 3D prenda piede nell'Industria 4.0?

La gamma di materiali disponibili per la produzione additiva evolve ogni giorno, le macchine stanno migliorando continuamente le prestazioni e nuovi processi e attività vengono sviluppati.
Possiamo riassumere in 5 assi principali gli attuali vincoli allo sviluppo.

Comprendere meglio i parametri di produzione per migliorare la riproducibilità

La produzione di pezzi in unità o in batch solleva necessariamente la questione della riproducibilità rispetto ai processi e alle modalità di produzione convenzionali. Quante operazioni di riciclo delle polveri i produttori possono considerare per garantire le prestazioni meccaniche?
Per rispondere a questa domanda è ovviamente essenziale la qualificazione del processo che ne sta alla base, ma i recenti sviluppi in termini di sensoristica e controllo in tempo reale dovrebbero consentire di superare certi limiti: misurare per capire, interpretare e anticipare. Con diverse centinaia di parametri già accessibili, la produzione additiva è più che mai al centro dei big data. Tuttavia, mancano ancora alcuni sensori per comprendere la fisica del processo: sensori ottici specifici, sensori termici per verificare l'omogeneità del pezzo, l'uso dell'intelligenza artificiale che gestisca grandi database per prevedere ed anticipare eventuali malfunzionamenti, la miniaturizzazione dei sensori utilizzando ad esempio le correnti parassite per avere, strato dopo strato, il rilevamento dei guasti in tempo reale. Una misura del regime laminare dei flussi gassosi permette inoltre di verificare l'omogeneità della protezione dell’atmosfera inerte.

Fare di più ed in meno tempo

La produzione additiva, che è caratterizzata dalla fabbricazione di singoli oggetti o in numero limitato per lotto, non beneficia di un significativo aumento di scala. Se è chiaro che in molti progetti la produzione additiva è in posizione favorevole in termini di costo unitario, tenendo conto dell'intera catena di produzione e sviluppo, resta il fatto che la produttività è una leva diretta per il miglioramento della redditività. Questi problemi vengono affrontati ad esempio nel SLM moltiplicando il numero di laser. In questa direzione va anche l'aumento delle dimensioni delle macchine. La tecnologia WAAM raggiunge già oggi tassi di deposizione elevati, ma richiede il controllo del raffreddamento per evitare tempi di attesa tra i passaggi e garantire prestazioni meccaniche. La proiezione di ghiaccio secco è un esempio delle soluzioni attualmente in fase di validazione.
Per quanto riguarda il processo produttivo SLM, l'automazione del riciclo delle polveri e la sua tracciabilità, la gestione complessiva della fornitura di un parco macchine sono aspetti che coinvolgono non solo la sostenibilità e la produttività ma anche la qualità della produzione attraverso un migliore controllo della filiera dalla polvere al manufatto finito.

Verso pezzi di grandi dimensioni

Come abbiamo visto, l'aumento della produttività è qui di prim'ordine, ma anche una migliore comprensione del processo può contribuire notevolmente all'ottimizzazione dei costi e dell’energia utilizzata.
Per la parte SLM e le polveri di metallo, l'atomizzazione gassosa rimane oggi il processo più idoneo per raggiungere le specifiche tecniche in termini di fattore di forma, composizione chimica e granulometria. Tuttavia, l'inasprimento delle specifiche ha necessariamente un impatto sul costo delle polveri prodotte. Possiamo immaginare di ingrandire la granulometria? Avere più tolleranza sulla chimica delle polveri? Il tutto senza sacrificare la riproducibilità, le proprietà meccaniche o le condizioni superficiali relative ai pezzi?

Vers des pièces de grandes dimensions

Se da un lato WAAM consente già di produrre imponenti strutture metalliche, per SLM la dimensione del pezzo rimane limitata. Gli sviluppi recenti tendono a produrre macchine sempre più grandi, camere sempre più larghe e più alte. Esiste ovviamente un limite per SLM, la soluzione sta sicuramente in un buon compromesso tra le varie tecnologie di produzione additiva.

Fare formazione sulla produzione additiva

Per sfruttare appieno la produzione additiva, è necessario considerarla fin dalla progettazione iniziale del pezzo. L'alleggerimento di un pezzo in campo aeronautico, ad esempio, consente risparmi di carburante molto significativi nell'arco della vita di un aeromobile, ma solo una progettazione avanzata consentirà di sfruttare tutte le potenzialità proprie della produzione additiva in ambito industriale.
Occorre quindi lavorare sulla formazione e la conoscenza degli studenti per sviluppare specifiche competenze professionali: libri e moduli didattici con contenuti specifici, nei master ad esempio, lavorare sulle competenze ingegneristiche in senso lato, sviluppare strumenti e sistemi di calcolo per facilitare gli approcci topologici.
Il settore della ricerca scientifica si mostra sempre più aperto anche all'industria: a livello regionale, le strutture tecnologiche locali offrono i loro servizi agli studi di progettazione e dei metodi a cui le aziende più piccole possono rivolgersi per lo sviluppo dei loro progetti.
L'apertura mentale rimane un fattore chiave se l’obiettivo è aprire nuovi orizzonti di utilizzo: la stampa diretta di materiali compositi, nell'ingegneria civile, negli alimenti e persino nella coltura dei tessuti per facilitare i trapianti in campo medico.