Perché agli aerei serve la stampa 3D

Parlando di aerei vale la pena ricordare che la stampa 3D è una tecnica per realizzare manufatti che negli ultimi dieci anni ha avuto rapido sviluppo e capillare diffusione, soprattutto grazie alla liberalizzazione dei brevetti legati alle tecnologie di fabbricazione.
Fino a qualche anno fa i materiali che potevano essere utilizzati per la stampa 3D erano prevalentemente polimerici, ovvero plastiche, per cui gli oggetti realizzati presentavano resistenze strutturali non eccellenti. Questa limitazione aveva relegato la tecnologia della stampa 3D alla realizzazione di prototipi di design, secondo la filosofia del “rapid prototyping” .
Negli ultimi anni si sono però sviluppate nuove macchine e tecnologie in grado di realizzare oggetti mediante stampa 3D in metallo. Si è quindi iniziato anche a diffondere il termine di produzione additiva (additive manufacturing). Le macchine per la stampa 3D di metalli sono più complesse di quelle per la stampa delle materie plastiche, hanno dimensioni più grandi e necessitano di particolari accorgimenti per la manipolazioni della materia prima (si tratta di polveri di metallo che possono creare ambienti esplosivi e/o costituire un rischio per la salute); inoltre il loro costo è molto elevato.
Per questi motivi la stampa 3D dei metalli è oggi solo disponibile per applicazioni industriali.

I termini stampa 3D e produzione additiva, sono a volte utilizzati come sinonimi. Ma se diamo alla parola “produzione” non solo il significato di realizzazione, costruzione, ma aggiungiamo il lato economico del termine, ossia produzione industriale (produzione economicamente sostenibile), potremmo identificare l’additive manufacturing come la “stampa 3D” per applicazioni di produzione industriale.

La premessa serve a sottolineare come la possibilità di realizzare oggetti in metallo mediante deposizione di materiale abbia rivoluzionato il settore della stampa 3D, ampliando notevolmente le applicazioni e aprendo le porte a un utilizzo industriale.
Come avviene per ogni tecnologia anche quella additiva ha vantaggi e svantaggi, e rivela settori idonei al suo utilizzo. Uno dei principali settori in cui l’additive manufacturing sta offrendo particolari benefici è quello aerospaziale. Vediamo le sei buone ragioni per cui questa nuova tecnologia ha trovato nella produzione di aerei un terreno in cui crescere.

1. Complessità delle geometrie

Uno dei vantaggi della produzione additiva è di poter realizzare componenti molto complessi in modo molto semplice e veloce. Nel settore aerospaziale esistono molti componenti che hanno geometrie complesse e che richiedono lunghe e complicate lavorazioni.
Si pensi alle palette delle turbine degli aerei o a particolari scambiatori di calore che per poter essere prodotti richiedono numerose e lunghe lavorazioni. La flessibilità e la possibilità di realizzare geometrie molto complesse consentono di ottenere forma dei componenti che con le tecniche tradizionali sarebbero impossibili o molto costose da realizzare.

2. Ottimizzazione all’uso dei materiali

I componenti aerospaziali devono essere molto leggeri e resistenti, questo comporta che per la loro realizzazione debbano essere asportare grandi quantità di materiale (spesso la massa del materiale asportato è maggiore della massa finale del componente) con conseguenti lunghi tempi di lavorazione e grandi quantità di materiale scartato. Mediante l’additive manufacturing solo il materiale necessario alla produzione del componente viene effettivamente utilizzato, ottimizzando così la produzione. Infatti a seconda della tecnologia utilizzata, viene depositata solo la quantità di materiale necessaria per la realizzazione del componente, oppure è possibile recuperare facilmente e velocemente la polvere metallica non utilizzata durante il processo.

3. Integrazione con i processi tradizionali

 
I componenti degli aerei realizzati mediante produzione additiva, spesso necessitano di operazioni di finitura per poter essere utilizzati. La finitura viene solitamente effettuata mediante tecniche per asportazione di truciolo tradizionali. Questo comporta la rimozione del componente dalla macchina per manifattura additiva e il riposizionamento su una macchina tradizionale.
Questo problema viene superato dalla cosiddette “macchine ibride”, la cui diffusione è agli inizi, che consentono di eseguire in sequenza operazioni di aggiunta e rimozione di materiale, ottenendo alla fine del processo il componente finito. Queste macchine sono sostanzialmente composte da una testa per la produzione additiva (laser o a fascio elettronico, a seconda della tecnologia utilizzata) e una testa fresante che esegue le operazioni di finitura. Esisteranno anche nel futuro macchine dotate di tavola portapezzo mobile, che consente in riposizionamento del componente durante le lavorazioni, aumentando così la flessibilità della macchina.

4. Aerei, lavorazioni in parallelo

Abbiamo visto che i componenti per l’industria aerospaziale realizzati mediante le tecniche tradizionali necessitano di molte lavorazioni meccaniche con elevate quantità di materiale asportato. Questo comporta lunghi tempi di lavorazione.
Mediante le tecniche di produzione additiva è possibile ridurre i tempi di produzione. Infatti anche se la produzione additiva è un processo lento, in quanto il componente viene realizzato strato dopo strato, è possibile realizzare molti componenti contemporaneamente, riducendo drasticamente il tempo di produzione per unità. È quindi molto importante ottimizzare il volume di lavoro della macchina in modo da realizzare il maggior numero di componenti contemporaneamente.

5. Tempi di produzione

La diminuzione dei tempi di lavorazione porta ad una riduzione dei costi di produzione rispetto alla produzione additiva di qualche anno fa, soprattutto se sono impiegate macchine temporizzate con attrezzaggio automatico delle stampe successive, le quali sono in via di diffusione.

6. Gestione dei magazzini

Un ulteriore vantaggio della produzione additiva può essere trovato nella gestione dei semilavorati. Infatti, essendo la materia prima polvere di metallo indipendentemente dalla forma finale che avrà il componente, non è necessario prevedere l’approvvigionamento di diverse tipologie di semilavorati (barre di diverso diametro, forgiati vari), con la conseguente riduzione dei costi di gestione e magazzino materie prime. Possiamo quindi concludere che viste le peculiarità del settore aerospaziale, in cui i componenti che vengono realizzati oltre a essere complessi, richiedono lunghi tempi di lavorazione e hanno un alto valore aggiunto, unito al fatto che i volumi di produzione sono bassi, portano le tecniche di produzione additiva a essere competitive rispetto a quelle tradizionali, sia dal punto di vista economico, sia dei tempi di produzione. Lo sviluppo dell’additive manufacturing e delle macchine è in pieno svolgimento e i miglioramenti dei processi porteranno a un maggiore impiego di questa tecnologia.
*Andrea Mura è Assegnista di Ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino. È membro del comitato tecnico della rivista Organi di Trasmissione di Tecniche Nuove e del comitato editoriale delle riviste American Journal of Science and Technology e Journal of Mechanics Engineering and Automation. Fa ricerca su trasmissioni meccaniche e progettazione di macchine.
**Giorgio De Pasquale è Ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino. Nel 2009 ha ricevuto il Premio Sapio per la ricerca dal Presidente della Camera dei Deputati e nel 2010 la menzione speciale della Sezione Italiana ASME. Nel 2013-14 è stato visiting researcher al MIT di Boston. Fa ricerca su progettazione di MEMS, micro-meccanica sperimentale, energy harvesting, dinamica dei veicoli e interfacce uomo-macchina.

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