La stampa di oggetti in metallo è diventata una realtà consolidata soprattutto grazie alla diffusione di stampanti Selective Laser Melting (SLM).

Questa tecnologia utilizza un fascio laser per fondere della polvere di metallo in modo molto preciso realizzando così, sezione dopo sezione, interi oggetti tridimensionali. La stampa 3D metallica ha quindi aperto la strada alla costruzione di oggetti mai concepiti e progettati prima perché irrealizzabili con le tecnologie convenzionali.

Negli ultimi anni la stampa 3D metallica è migliorata in termini di qualità e di velocità arrivando, in alcuni casi, ad essere competitiva per la produzione di piccole serie di componenti: centinaia o migliaia di pezzi.

L’affermarsi dell’additive manufacturing metallico ha portato alla luce alcuni suoi limiti, per esempio l'impossibilità di realizzare oggetti con vuoti interni perché resterebbero pieni di polvere, l’uso obbligatorio di supporti che poi devono essere rimossi rendendo il processo più lento e costoso e, ancora, stampare oggetti composti da materiali differenti non è praticabile.

Il vincolo di dover stampare oggetti in un unico materiale diventata sempre più evidente e insostenibile ma portare e distribuire polvere di materiali differenti in zone distinte del piano di stampa non è un problema facilmente risolvibile.

Per ora c'è una sola società al mondo che sta provando l'approccio multi-materiale usando la tecnologia SLM[1], ma si tratta solo di una sperimentazione.

Direct Laser Deposition e modello ibrido

La tecnologia che sta realmente cambiando le regole del gioco per superare alcune delle limitazioni del SLM si chiama Direct Laser Deposition (DLD). Anche questa tecnologia utilizza un fascio laser per fondere la polvere metallica, ma in questo caso il processo è molto simile a quello di una saldatura.

Come funziona?

Un ugello spruzza la polvere - insieme a del gas inerte - indirizzandola sul punto di deposizione. Nello stesso punto viene focalizzato il fascio laser che crea un bagno di metallo fuso in cui la polvere apportata dal gas inerte si fonde e successivamente all'avanzamento del laser, si solidifica creando una struttura densa e compatta, aderente al substrato. Questa volta il processo di costruzione di oggetti tridimensionali è simile al processo delle stampanti 3D a deposizione di polimero fuso (FDM).

L'utilizzo della tecnologia DLD associata ad una macchina CNC industriale ha dato vita ad una delle prime macchine ibride al mondo: la DMG MORI Lasertec 65 3D.

Una macchina ibrida permette molti utilizzi differenti grazie alla duplice capacità di apportare nuovo materiale e di rimuoverne tramite fresatura, alternando liberamente le fasi additive e sottrattive.

Per esempio in questo modo si possono realizzare oggetti con cavità chiuse, riparare componenti danneggiati e ottenere finiture superficiali migliori rispetto a quelle realizzate con altre tecniche di stampa 3D metallica grazie alla precisione geometrica tipica delle lavorazioni per asportazione di truciolo.

Uno degli aspetti più interessanti è che la macchina può utilizzare polvere di un metallo differente dal materiale dell'oggetto su cui andrà ad eseguire la lavorazione. Questa caratteristica offre la possibilità di creare componenti multi-materiale con una semplicità inimmaginabile fino ad oggi.

I due prototipi in bronzo e acciaio. Lo strato di bronzo CuSn10 ha uno spessore pari a 2mm

Si pensi ad esempio ad oggetti realizzati in acciaio economico e ricoperti da uno strato di acciaio inox che ne previene l'ossidazione, o componenti ricoperti da un materiale molto duro che ne impedisce l'usura o, ancora, stampi con parti in rame che ne facilitano il raffreddamento.

Le applicazioni di oggetti multi-materiale sono vastissime e solitamente molto ricercate perché aumentano la funzionalità degli oggetti stessi.

La tecnologia Lasertec di cui dispone ProM Facility ha una ulteriore caratteristica: è dotata di due contenitori per due differenti tipi di polvere metallica. Questo significa che durante la lavorazione le due polveri possono essere utilizzate alternativamente o addirittura miscelate tra loro.

La possibilità di realizzare oggetti con proprietà che cambiano gradualmente da quelle di un materiale a quelle di un altro è sicuramente una nuova frontiera nella produzione industriale.

Oggetti che in alcune zone sono magnetici e in altre no, o dotati di parti che conducono meglio il calore e altre meno o, ancora, composti da strutture che passano dall'essere fragili all'essere tenaci.

In questo ambito, ProM Facility sta conducendo diverse sperimentazioni applicative su casi reali. L'utilizzo di combinazioni di materiali differenti è strettamente legato alla compatibilità dei materiali utilizzati. Allo scopo di ottenere parti funzionali è molto importante che tra i due materiali si formino legami solidi e duraturi. Alcuni test effettuati hanno dato risultati molto buoni mentre altri hanno evidenziato alcune criticità.

Uno tra i risultati migliori è quello ottenuto depositando bronzo su acciaio. Questa combinazione è molto ricercata in ambito industriale in quanto è possibile sostituire le bronzine con oggetti direttamente ricoperti in bronzo.

Proprio in questo settore ProM Facility ha intrapreso un progetto di ricerca industriale con Dana Incorporated e in particolare con la sede operativa di Arco (TN).

Attualmente è in corso lo studio di due differenti prototipi che integrano una parte in bronzo nelle zone di contatto e soggette a usura abrasiva.

Questi componenti sono soggetti a sforzi e temperature che anche le bronzine tradizionali reggono con difficoltà, generando un’usura precoce del componente.

L’unione dei due materiali tramite tecnologia DLD garantisce migliori performance rispetto ad avere parti composte da due componenti distinti e inoltre garantisce una compattezza difficilmente ottenibile con altre tecniche.  L’interfaccia tra i due materiali è rappresentata da una saldatura continua e costante che garantisce un’ottima trasmissione delle sollecitazioni e del calore. Raggiungere migliori prestazioni in questi ambiti permette di ridurre l’usura e quindi di allungare la vita del componente.

Ciò a sua volta consente di abbassare i costi di manutenzione e aumentare l’efficienza dal punto di vista energetico: un aspetto sempre più importante in relazione alla sostenibilità ambientale.

Le sperimentazioni effettuate in ProM Facility stanno dando ottimi risultati e stanno aprendo la strada all’utilizzo della tecnologia Direct Laser Deposition anche in altre applicazioni come il cladding (copertura superficiale) con materiali speciali e la costruzione/riparazioni di utensili e stampi.

La deposizione del nuovo materiale e la fresatura sono state effettuate nella stessa macchina senza dover cambiare piazzamento. Questo è uno dei vantaggi più evidenti di una macchina ibrida

A Rovereto il laboratorio d’eccellenza per la prototipazione meccatronica

ProM Facility è una infrastruttura tecnologica aperta alle collaborazioni dove produrre, ricercare, sperimentare prodotti innovativi, in grado di combinare la meccanica tradizionale con i più avanzati e sofisticati sistemi di prototipazione fisica e virtuale, di testing e di pre-qualifica.

Frutto della collaborazione tra Provincia autonoma di Trento, Trentino Sviluppo, Fondazione Bruno Kessler, Università di Trento e Confindustria Trento, ProM Facility mette a disposizione delle aziende una piattaforma integrata per la prototipazione e qualifica di sistemi e sottosistemi meccatronici, con dotazioni tecnologiche di prim’ordine nell’ambito della stampa tridimensionale, dell’elettronica, delle verifiche di qualità dei prodotti, della progettazione di sistemi integrati, della metrologia e dell’informatica, con particolare riferimento alla cyber security.

Grazie ai fondi europei regionali FESR, la facility dispone di macchinari innovativi per la prototipazione rapida di sistemi meccatronici completi, per un valore complessivo di quasi 6 milioni di euro, tra cui una macchina utensile integrata che funziona contemporaneamente come centro di lavoro per la fresatura a controllo numerico su cinque assi e come sistema di produzione additivo mediante sinterizzazione e fusione di polveri metalliche tramite fascio laser, una macchina per il taglio laser combinato di tubi e lamiere, stampanti 3D per la realizzazione di componenti mediante sinterizzazione o fusione selettiva di polveri metalliche e polimeriche, scanner 3D, un tornio ad elettromandrino e un supercomputer per sviluppo e addestramento di reti neurali profonde.

La deposizione del nuovo materiale e la fresatura sono state effettuate nella stessa macchina senza dover cambiare piazzamento. Questo è uno dei vantaggi più evidenti di una macchina ibrida.

[1] Rif. Aerosint

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