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Saturday, 16 Dicembre 2017
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Lo spazzolino da denti in metallo 3D

La società italiana Zare si è spinta nella creazione di un nuovo design per uno spazzolino da denti nato in collaborazione con lo studio di design di Christoph Nussbaumer. Del tutto inconsueto, infatti, questo spazzolino da denti è realizzato in metallo. Sotto il marchio MIO, questo spazzolino da denti realizzato in stampa 3D dotato di un design senza tempo viene prodotto proprio grazie all’additive manufacturing.

di Adriano Moroni

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A ognuno il suo!

Nel campo della chirurgia craniomaxillofacciale, la stampa 3D in metallo ha prodotto un’importante svolta innovativa permettendo soluzioni di implantologia uniche quanto le persone che ne hanno bisogno. Una soluzione per ogni paziente, senza modelli standardizzati: questo, almeno, è quello che realizza Karl Leibinger Medizintechnik con i suoi impianti craniomaxillofacciali.

di Fabrizio Garnero

Settembre-Ottobre 2017

Tutto ruota intorno alla testa, al viso. Non esiste cosa con cui ci identifichiamo di più che la nostra faccia. Siamo come ci vediamo. E, cosa ancora più importante: tenendo conto di vista, udito, gusto e olfatto, quattro dei nostri cinque sensi si trovano nella testa o sul viso. Questo significa che la presenza di gravi traumi o deformità craniomaxillofacciali non solo minaccia il funzionamento dei nostri sensi, ma ha anche spesso delle terribili conseguenze psicosociali: i pazienti che ne sono affetti non soffrono solo di disturbi funzionali - nel senso che non possono mangiare, gustare, inghiottire o parlare in maniera adeguata - ma vengono spesso anche evitati dalle persone a loro più vicine. La chirurgia craniomaxillofacciale è una procedura volta a correggere tali ferite e deformità tramite la distrazione e l’osteosintesi.

La fabbricazione additiva per gli impianti personalizzati
È dal 1979 che il nome Karl Leibinger Medizintechnik è sinonimo di impianti di qualità per la chirurgia craniomaxillofacciale. L’azienda fa parte del KLS Martin Group, e gli impianti riassorbibili sono stati aggiunti alla sua offerta nel 2000. Il suo sviluppo più recente riguarda gli impianti personalizzati per pazienti, volti alla correzione di traumi o deformità tramite la distrazione e l’osteosintesi. Inizialmente prodotti con metodi più tradizionali, dal 2013 questi impianti sono realizzati anche con la fabbricazione additiva.
Questo è stato possibile grazie al processo di Concept Laser denominato LaserCUSING, di cui è dotata la macchina M2 Cusing utilizzata da Karl Leibinger Medizintechnik. Dietro a questa svolta innovativa c’è un semplice approccio di base in grado di trasformare permanentemente il mondo della chirurgia: una soluzione per ogni paziente, senza modelli standardizzati. Per fabbricare degli impianti specifici per ogni singolo paziente, Frank Reinauer - a capo del reparto Innovazione e Produzione di Biomateriali a Karl Leibinger Medizintechnik - si affida ora sistematicamente alla fabbricazione additiva.

Distrazione osteogenetica e osteosintesi in titanio
La distrazione osteogenetica può essere fatta risalire al chirurgo russo Gavril Ilizarov, che la usò per la prima volta in Russia negli anni 50. Nello specifico, questa procedura interessa l’estensione delle ossa. Capita, infatti, a volte che un osso “si dimentichi” di crescere; in questi casi, la distrazione “ricorda” all’osso di crescere di nuovo - incoraggiandolo ad adempiere al suo “modello genetico” prestabilito. Nel trattamento pediatrico della craniosinostosi, per esempio, è sufficiente effettuare un’operazione una tantum per aprire e distrarre il cranio in corso di ossificazione - in modo che il cervello abbia lo spazio necessario per crescere. Nel mondo occidentale, questa procedura ha cominciato ad affermarsi alla fine degli anni 80 e al giorno d’oggi è quasi impossibile immaginare la pratica clinica della chirurgia CMF senza di essa. Anzi: in molti casi, la distrazione osteogenetica è proprio la procedura di riferimento del settore. KLS Martin ha creato numerosi sistemi di distrazione innovativi per aiutare ad affermare questa tecnica nelle sale operatorie per chirurgia craniomaxillofacciale di tutto il mondo. Si può dire che non esista praticamente problema che KLS Martin non possa risolvere grazie a un distrattore progettato appositamente a tale scopo. La distrazione è una tecnica che coinvolge solitamente la faccia centrale e la mascella. KLS Martin è uno dei principali fornitori mondiali di componenti essenziali per le operazioni di chirurgia CMF - da placche, maglie, viti, chiodi, distrattori e impianti personalizzati per pazienti fino a laser, apparecchiature ad alta frequenza, luci chirurgiche e contenitori di sterilizzazione.
Il secondo concetto chiave da evidenziare è l’osteosintesi in titanio. Questa procedura è volta a dare nuova stabilità all’osso.
A dare impeto a questo importante sviluppo nel campo dell’osteosintesi è stato il Professor Maxime Champy: grazie alle sue osservazioni rivoluzionarie sulla biomeccanica del cranio, KLS Martin è ora considerato uno dei maggiori specialisti mondiali del settore.
Al giorno d’oggi i medici devono affrontare delle sfide sempre nuove, soprattutto nel campo della chirurgia ortognatica e ricostruttiva. Questo significa che è assolutamente cruciale possedere un alto livello di ambizione e visione, oltre che molti anni di esperienza, per sviluppare delle soluzioni adatte al mondo moderno. KLS Martin soddisfa questi requisiti particolarmente elevati grazie a delle tecnologie di produzione all’avanguardia e a una collaborazione perfetta fra scienziati e utenti.

Una soluzione per ogni paziente, senza modelli standardizzati
Al giorno d’oggi, un chirurgo può sostanzialmente scegliere fra molti tipi di impianti craniomaxillofacciali: gli impianti plastici, a esempio quelli in polietere etere chetone (PEEK), le lamiere in metallo lavorate tramite imbutitura profonda, le leghe in titanio, il titanio solido e ora anche gli impianti in titanio prodotti tramite la fabbricazione additiva. Grazie alla sua eccellente biocompatibilità e alla sua alta resistenza alla corrosione, il titanio ha guadagnato un’immensa popolarità e si è affermato con successo come il materiale di riferimento nel settore medico. Mentre il PEEK non consente per nulla la formazione di tessuto osseo, il titanio permette all’osso di crescere - ed è quindi il materiale perfetto per gli impianti, in combinazione naturalmente a delle strutture in lattice prodotte tramite la fabbricazione additiva.
Finora, gli impianti in titanio erano sempre stati sviluppati singolarmente e prodotti in maniera convenzionale - sia in materiale solido ad alta resistenza che in leghe. Ma perché produrre questi impianti in maniera convenzionale, se esiste anche la possibilità di usare la fabbricazione additiva? “È da parecchio tempo che teniamo d’occhio l’approccio additivo. Ma abbiamo anche sempre avuto un’idea molto precisa di cosa avrebbe dovuto fare una macchina per valere un investimento. Dopo il primo decennio di stampa 3D, ci è sembrato che fosse arrivato il momento giusto per entrare nella mischia,” ci ha spiegato Frank Reinauer. Naturalmente, all’inizio si è dovuto superare l’ostacolo di un ingente investimento nella fabbricazione additiva. Secondo Frank Reinauer, “Prendere una decisione basandosi solo su dati economici e finanziari porta spesso a evitare di assumersi dei rischi - e alla fine, si arriva ad autoconvincersi che la cosa migliore sia lasciare che vadano avanti gli altri. Ma noi siamo un’azienda a gestione familiare, e la direzione si è resa subito conto delle grandi opportunità future che ci avrebbe portato questo investimento. La scelta di farci coinvolgere è stata presa per ragioni strategiche, ma si è dimostrata la decisione giusta. Abbiamo acquistato la nostra prima macchina per la fabbricazione additiva da Concept Laser nel 2013”.
La nuova tecnologia, dopo un’attenta valutazione dei rischi contrapposta al desiderio di innovazione dell’azienda, ha dato dei risultati proficui. Tenendo in considerazione i complessi requisiti degli impianti medici, anche alla luce di norme e regole molto complicate, la macchina per la fabbricazione additiva di Concept Laser si è ripagata velocemente. Non si dovrebbe neanche sottovalutare la quantità di tempo risparmiato grazie alla lavorazione senza utensili, visti i tempi ristrettissimi delle sale operatorie. Ma soprattutto, questa decisione strategica si è dimostrata uno stimolo importante - perché gli impianti in titanio prodotti tramite fabbricazione additiva e personalizzati per pazienti sono un gigantesco passo avanti per la pratica clinica. La diffusione crescente di questi impianti in tutto il mondo è riflessa anche dal fatto che rappresentano ora una delle maggiori fonti di reddito dell’azienda.

Sulla via della fabbricazione additiva in metallo
Secondo Frank Reinauer, una volta deciso di entrare nel mondo della stampa 3D in metallo, è stato necessario superare alcuni ostacoli iniziali nella convalida di processo: “Ci sono voluti circa nove mesi per lasciarci dietro questa fase preparatoria, perché le norme e le condizioni generali della tecnologia medica sono estremamente meticolose.” Prima di tutto, l’azienda ha dovuto ottenere il marchio CE e assicurarsi di rispettare la norma DIN 13485 e le linee guida della Food and Drug Administration statunitense (FDA).
“Un’altra cosa molto importante è stata tenere conto delle regolazioni speciali in vigore in alcuni paesi, e attenersi al Medical Devices Act e al Medical Devices Regulation (MDR). Infine, ci siamo dovuti sottoporre a delle ispezioni obbligatorie da parte delle autorità. Penso che affrontare questa lunga fase iniziale ci abbia insegnato molto come produttore, fornendoci un vantaggio concorrenziale decisivo,” spiega Frank Reinauer.

Il titanio come vero e proprio punto di riferimento
 “Dopo aver iniziato a usare la stampa 3D in metallo, abbiamo subito capito che il metodo migliore con cui effettuare l’osteosintesi in titanio era la fusione laser. Si tratta, infatti, di una tecnica in grado di produrre delle ricostruzioni su larga scala con geometrie molto complesse - e questa libertà geometrica può soddisfare anche specifici requisiti estetici. Per il chirurgo non si tratta solo di ripristinare tutta la funzionalità, ma anche di prestare attenzione all’aspetto estetico”.
Le parti sono dotate di un alto livello di resistenza, e il materiale è biocompatibile. Anche i pazienti affetti da allergie possono ricevere il titanio in maniera estremamente positiva. Secondo Frank Reinauer, “Sotto molti punti di vista si può dire che il titanio costituisca un vero e proprio punto di riferimento per la tecnologia implantare”.
La fabbricazione additiva in metallo offre anche l’opportunità di produrre delle rugosità superficiali parziali dell’impianto, in modo che possa fondersi velocemente con l’osso ai lati dell’impianto. “Ma ci sono altri due vantaggi molto importanti degli impianti in titanio prodotti con la fabbricazione additiva: la geometria personalizzata per pazienti e la precisione specifica. In definitiva, questo significa un alto livello di funzionalità,” ci spiega Frank Reinauer. Il chirurgo può usare delle tecniche di imaging come la tomografia computerizzata (CT) o la risonanza magnetica a immagini (MRI) per soddisfare le esigenze anatomiche specifiche di ogni singolo paziente. Gli ingegneri di Karl Leibinger Medizintechnik elaborano questi dati per creare dei file STL, che poi fungono da dati di base per la produzione 3D effettuata sulla macchina M2 Cusing di Concept Laser.

Impianti individuali prodotti con la fusione laser
Quella di Karl Leibinger è una vera e propria catena di processo digitale. Le parti vengono fabbricate sulla macchina M2 Cusing, dove possono essere accomodate anche parti su larga scala con un inviluppo di 250 x 250 x 280 mm3 (x, y, z). La M2 Cusing è progettata conformemente alle linee guida ATEX, il che le consente di lavorare in sicurezza anche materiali reattivi come il titanio o le leghe in titanio. Secondo Frank Reinauer, “Quando si tratta di lavorare materiali reattivi, Concept Laser ha senza dubbio definito uno standard del settore in termini di sicurezza - con un concetto esente da contaminazioni per la fabbricazione additiva delle parti.” Come tutte le soluzioni di Concept Laser, per aumentare la facilità di utilizzo e la sicurezza la macchina M2 Cusing è caratterizzata anche da una separazione fisica della camera di processo e dell’area di trattamento. È robusta e adatta a lavorare su tre turni. Dopo essere state fabbricate, le parti subiscono un trattamento termico per ridurre la tensione - e vengono poi sterilizzate e confezionate in una camera bianca di classe 7.

La domanda è in crescita
L’utilizzo di questi impianti si sta diffondendo rapidamente. Al momento, ci sono più di venti ingegneri in tutto il mondo impegnati a gestire le crescenti commissioni da parte delle cliniche. Karl Leibinger Medizintechnik offre ai chirurghi un sistema di gestione trasparente degli ordini. È una piattaforma web controllata tramite app: sul sito il chirurgo inserisce i dati del paziente, i requisiti geometrici e la data dell’operazione. Oltre agli impianti personalizzati per pazienti, su questo sito possono essere richiesti anche modelli anatomici per una pianificazione preoperatoria ottimale. Spesso è anche necessario soddisfare delle richieste produttive speciali - per esempio, quando deve essere rimosso un tumore da pianificarsi su scala più grande. Per gli interventi più complicati, Karl Leibinger Medizintechnik offre anche un kit implantare completo che può essere installato in maniera molto veloce e precisa durante l’operazione. Prima di prendere una decisione definitiva sulla costruzione, il dottore vede uno schizzo del progetto e un’offerta in termini di prezzo. Tutto questo significa che sono in grado di fornire degli impianti prodotti tramite fabbricazione additiva entro una settimana. È cruciale che gli impianti siano dotati di una geometria specifica e di una precisione millimetrica - perché questo abbrevia i tempi dell’operazione, riduce la possibilità di rischi e permette al chirurgo di concentrarsi soltanto sull’intervento. Il paziente non può che beneficiare da un’operazione più sicura e da una guarigione più veloce.

I vantaggi degli impianti in titanio personalizzati prodotti con la fabbricazione additiva
•    La libertà geometrica e la precisione millimetrica influenzano sia la funzionalità che l’estetica.
•    È possibile produrre delle strutture complesse e su larga scala.
•    Dei bordi definiti e una buona finitura superficiale assicurano la ricrescita ossea ottimale.
•    Una lavorazione senza utensili puntuale e una rapida catena di processo.
•    Alta riproducibilità.
•    Il titanio è biocompatibile ed è caratterizzato da un alto livello di resistenza.
•    Il titanio è elastico, resistente sia alla corrosione che alla temperatura.
•    Delle operazioni sicure e veloci.
•    Una guarigione più veloce per i pazienti.
•    In definitiva, questa tecnologia aiuta anche ad alleviare lo stress del sistema sanitario

La parola al chirurgo
Commento del dottor N. C. Gellrich, Direttore Clinico, Chirurgia Orale e Craniomaxillofacciale, Scuola Medica di Hannover, sugli impianti personalizzati per pazienti prodotti tramite fabbricazione additiva per la chirurgia craniomaxillofacciale.
“Gli impianti personalizzati per pazienti possono essere costruiti in tempi realistici in modo da essere autoclavabili e stabili da un punto di vista dimensionale. Fondamentalmente, questi impianti individuali si adattano alla perfezione al paziente - proprio come un coperchio su una pentola - ricostruiscono le zone difettose con precisione e coprono i bordi delle lesioni in maniera ottimale. Questo permette di ripristinare anche ferite dell’orbita oculare molto complesse con un minimo sforzo”.
Dottor N. C. Gellrich

A tu per tu con Frank Reinauer

Abbiamo parlato con Frank Reinauer - a capo del reparto Innovazione e Produzione di Biomateriali a Karl Leibinger Medizintechnik - a proposito delle potenziali applicazioni degli impianti prodotti tramite fusione laser.
“Signor Reinauer, potrebbe spiegarci cosa si intende quando si parla di chirurgia craniomaxillofacciale?”
 “Nella chirurgia craniomaxillofacciale, i chirurghi si occupano della ricostruzione del teschio (cranio), della mascella superiore o inferiore e del naso - insomma, tutta la faccia centrale ad eccezione dell’area dentale, di cui sono responsabili i dentisti. Fra di noi chiamiamo quest’area “tutto ciò che sta sopra alla cravatta”, e i metodi correttivi utilizzati per trattarla sono la distrazione e l’osteosintesi. Nel nostro lavoro, dobbiamo spesso occuparci di ricostruzioni molto complesse e su vasta scala, che dovrebbero allo stesso tempo essere anche all’altezza di elevati standard estetici.”
“Come sono certificati i vostri impianti craniomaxillofacciali?”
 “Per quanto riguarda i materiali, usiamo sempre materiali già certificati. Il passo successivo è quello di adempiere a una serie di regolamenti legati al processo produttivo: prima di tutto, l’azienda deve ottenere il marchio CE e assicurarsi di rispettare la norma DIN 13485 e le linee guida della Food and Drug Administration statunitense (FDA). Dopodiché, bisogna tenere conto delle regolazioni speciali in vigore in alcuni paesi, e attenersi al Medical Devices Act e al Medical Devices Regulation (MDR). Infine, è necessario sottoporsi a delle ispezioni obbligatorie da parte delle autorità. Insomma, siamo continuamente alle prese con una serie di specifiche legali o normative - cui dobbiamo adempiere minuziosamente per poter distribuire i nostri impianti. Come fornitore, per noi si tratta di competenze molto importanti.”
 “Considerando questa valanga di specifiche, come siete arrivati all’idea di utilizzare la fabbricazione additiva?”
 “Naturalmente, coordinare queste specifiche con la tecnologia della fabbricazione additiva ci ha rubato una certa quantità di tempo - e ha rappresentato una sfida importante per noi. È anche capitato che occasionalmente proibissi al nostro staff di parlare ad alta voce di stampa 3D - perché sentendo queste parole la gente tende a immaginarsi delle stampanti 3D sulla loro scrivania. Ci sono persino dei dottori convinti di poter stampare le parti di cui hanno bisogno direttamente all’interno del loro ospedale. Ma la fabbricazione 3D industriale o medica ha ben poco in comune con tutto questo. Penso che in questi settori, la stampa 3D sia diventata una valida estensione di processi come la fresatura, la rettifica, la foratura o la tornitura. Dal mio punto di vista, ai metodi di lavorazione tradizionali si è ora aggiunta a pieno titolo anche la fabbricazione additiva tramite processo di fusione laser con i metalli. I nostri sono prodotti di nicchia con un alto livello di qualità e di precisione, creati lavorando in stretta collaborazione con i chirurghi e lo staff medico degli ospedali. Tutte le nostre linee prodotto sono state create in maniera organica e graduale, una dopo l’altra. I nostri prodotti riflettono il nostro alto livello di specializzazione, e vengono progettati grazie a uno stretto dialogo fra ingegneri e staff ospedaliero. Visto e considerato da quanto tempo ci occupiamo di chirurgia craniomaxillofacciale, per noi è sempre stata centrale la rapidità dei metodi tecnologici. Il processo di LaserCUSING - o fusione laser dei metalli su base di letto di polveri - ci ha colpito particolarmente: permetteva infatti di utilizzare materiali certificati per produrre impianti personalizzati per pazienti in lotti da uno. Anche l’alta riproducibilità della struttura delle parti ha rappresentato per noi un fattore molto importante - e la fabbricazione additiva fornisce un altro vantaggio fondamentale per la tecnologia medica: ogni parte può essere accompagnata da una documentazione durante la sua creazione digitale. Per noi, questo è un dettaglio importantissimo in termini di affidabilità produttiva.

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L’additive nell’industria aeronautica civile

L’industria ha bisogno di fari guida. Persone e progetti fungono da modelli per le innovazioni che simboleggiano il cambiamento e le evoluzioni future. Frank Herzog, fondatore e amministratore delegato dell’azienda produttrice di macchine e impianti additivi Concept Laser, ha partecipato alla cerimonia di premiazione del “Deutscher Zukunftspreis 2015” insieme ai suoi due partner del progetto, essendo parte della “cerchia dei migliori”. La cerimonia ufficiale per tutti e tre i team finalisti si è tenuta lo scorso 2 dicembre a Berlino, alla presenza del Presidente della Repubblica Federale Tedesca Joachim Gauck. Una mostra permanente presso il Museo Tedesco a Monaco presenterà i progetti delle tre squadre arrivate in finale.

di Daniel Hund

Febbraio-Marzo 2016

Il team di progetto, composto da Peter Sander, responsabile Emerging Technologies & Concepts presso Airbus ad Amburgo, dal professor dottor ingegnere Claus Emmelmann, CEO dell’azienda Laser Zentrum Nord GmbH ad Amburgo, e da Frank Herzog, fondatore, Presidente e CEO di Concept Laser GmbH, è stato incluso nella “cerchia dei migliori” grazie al loro progetto intitolato “La stampa 3D nell’industria aeronautica civile - decolla una rivoluzione nel processo produttivo”. Frank Herzog commenta: “Appartenere al novero dei migliori è un grande onore per la nostra squadra e per me personalmente. Anche se avremmo tanto voluto vincere il “Deutscher Zukunftspreis 2015”, essere nella “cerchia dei migliori” è un onore incredibile, è anche, in particolare, un riconoscimento al duro lavoro dei miei collaboratori. Inoltre, questa nomina di così alto profilo ha portato a un ulteriore impulso e una maggiore visibilità alla nostra azienda Concept Laser”.

La costruzione leggera 3D è pronta a volare
Il progetto dal titolo “La stampa 3D nell’ingegneria degli aerei civili - decolla una rivoluzione nel processo produttivo” ha convinto la giuria del Premio 2015 per l’innovazione Tedesca per il suo livello di innovazione e applicazione commerciale. Il progetto riguarda, in sostanza, il primo componente additivo in titanio, una staffa di supporto, montato a bordo dell’Airbus A350 XWB. Si tratta di un elemento “bionico” di fissaggio e di collegamento che viene considerato un contributo fondamentale alla costruzione leggera di aeromobili. Il team ha reso la stampa 3D “pronta per volare”.

Il successo dello spirito pionieristico
Frank Herzog è considerato un pioniere nel campo della fusione laser su letto di polvere. Lo sviluppo del procedimento LaserCUSING è scaturito nel 1998 dalla tecnologia già esistente di sinterizzazione di materie plastiche. Durante i suoi studi universitari Frank Herzog pensava che ciò che funzionava con la plastica avrebbe dovuto funzionare anche con i metalli. All’inizio le sfide maggiori per lo sviluppo del nuovo procedimento erano rappresentate dalle tensioni nel pezzo e dal fatto che la polvere di metallo non si fondeva completamente. Lo sviluppo dell’esposizione stocastica e l’impiego di un laser a stato solido hanno permesso, dopo duro lavoro, di ovviare a questi problemi.
Questa impresa pionieristica è sfociata nel 2000 nella fondazione dell’azienda Concept Laser, che già nel 2001 ha presentato ufficialmente il suo prototipo di macchina M3 linear alla fiera Euromold di Francoforte, una novità a livello mondiale nel campo della stampa 3D industriale su metallo. Un anno dopo la Concept Laser, con sede a Lichtenfels nell’Alta Franconia, forniva già i primi impianti a livello mondiale. Questa strategia di produzione generativa, inizialmente recepita come un approccio originale, ha conquistato nel corso degli anni i campi e le applicazioni industriali più vari. Oltre 400 impianti installati su tutto il globo parlano chiaro. Ma 15 anni di Concept Laser significano anche 15 anni di sviluppo di procedimenti che ha fruttato numerosi brevetti e innovazioni. L’azienda dispone oggi di un proprio reparto di ricerca e sviluppo con oltre 50 operatori. La Concept Laser GmbH collabora, inoltre, con università, enti tecnico-scientifici e imprese industriali in numerosi progetti di cooperazione per la ricerca e lo sviluppo. L’azienda possiede anche più di 50 brevetti. La Concept Laser GmbH ha presentato circa 100 richieste di brevetto, la cui procedura d’esame è attualmente in corso. Per gran parte di esse si prevede la concessione del brevetto a breve. Il numero delle invenzioni registrate dall’azienda per la concessione del brevetto è in costante aumento.
Le cifre al momento dell’anniversario dei 15 anni dalla fondazione di Concept Laser nel 2015 rispecchiano una performance brillante. Dopo una crescita del 75 % nel 2014 l’azienda Concept Laser consolida la crescita ad alto livello. Nel 2014 sono stati consegnati complessivamente 110 impianti per la fusione laser. Nel 2015 più di 150. Ciò significa un aumento del fatturato previsto del 35% rispetto all’anno precedente già coronato da un grande successo. Il processo LaserCUSING Il termine LaserCUSING, composto dalla C di CONCEPT Laser e la parola inglese FUSING (fondere completamente), descrive bene la tecnologia. Il processo di fusione parte da dati CAD 3D per generare i componenti strato dopo strato. Questo processo permette la produzione di componenti con geometrie complesse senza l’ausilio di attrezzature realizzando quindi delle forme spaziali difficili o addirittura impossibili da ottenere con le tradizionali tecnologie di produzione. Il processo LaserCUSING viene utilizzato per creare componenti metallici meccanicamente e termicamente stabili con elevata precisione. A seconda dell’applicazione, può essere utilizzato con acciai inossidabili e acciai da stampi, leghe di alluminio e titanio, superleghe a base di nichel, leghe di cromo-cobalto o metalli preziosi come leghe di oro oppure argento. Grazie al processo LaserCUSING, il metallo finemente polverizzato viene fuso con un laser a fibra ad alta energia. Il materiale si solidifica dopo il raffreddamento. Il contorno del componente viene creato dirigendo opportunamente il fascio laser mediante un’unità di specchi (scanner). Il componente è costruito strato dopo strato (che può misurare 15 - 150 μm) grazie all’abbassamento del piatto di lavoro per poi riportare sopra e fondere così altra polvere. Gli impianti della Concept Laser si distinguono per il loro controllo stocastico dell’esposizione laser di piccole aree (note anche come “isole”), che vengono processate in successione. Questo processo brevettato riduce significativamente le tensioni durante la fabbricazione di componenti di grandi dimensioni.

Aspetti generali della strategia di produzione additiva
Una strategia di produzione additiva apre le porte a numerose possibilità di costruzione leggera e a un aumento delle prestazioni dei componenti. Le parole chiave sono: integrazione funzionale, potenziale di costruzione leggera, la bionica e la topologia, la conservazione delle risorse, riduzione degli scarti, la libertà geometrica, la produzione in un unico passaggio, riduzione del lavoro di montaggio, la produzione tempestiva, anche “on-demand” e il miglioramento della struttura dei costi, per esempio, grazie a una produzione non presidiata 24 ore al giorno. Il processo di fusione laser è risultata la prima scelta in numerosi settori rispetto alle strategie di lavorazione convenzionali nelle sfide attuali poste dalla produzione. Secondo gli esperti di produzione, automazione, qualità, una vasta gamma di materiali, l’integrazione nell’ambiente di produzione e potenziali velocità di costruzione sono le caratteristiche essenziali della produzione additiva nell’era digitale. La produzione additiva, in una catena di processo digitale, è basata coerentemente, non da ultimo, sulla strategia della “Fabbrica 4.0”.

Importanza della fusione laser nella costruzione di aerei
La fusione laser di metalli acquista sempre più importanza nella costruzione di aerei come parte integrante di una strategia di produzione additiva. Anche in questo caso, i motivi tipici per la scelta di questo processo sono i tempi di lavorazione più rapidi, i componenti più convenienti e una libertà di progettazione prima sconosciuta. Due nuove parole chiave, “leggerezza” e “bionica” riassumono una tendenza emergente: gli approcci progettuali nella costruzione di aeromobili vengono completamente modificati dal processo additivo. In termini di progettazione degli aerei, i componenti futuri saranno in grado di assorbire specifiche linee di forza, e anche in grado di soddisfare le esigenze di un approccio di costruzione leggera. In generale, la tecnologia di fusione laser è in grado di produrre componenti sicuri che sono ancora migliori, più leggeri e più resistenti rispetto ai componenti prodotti oggi in modo tradizionale. Inoltre, le proprietà del materiale sono leggermente diverse. Il Prof. Dott. Ing. Klaus Immelmann, CEO del Laser Zentrum Nord GmbH di Amburgo, afferma: “I materiali prodotti utilizzando la fabbricazione additiva mediante laser hanno una maggiore rigidità e, allo stesso tempo, minore duttilità; ma questo può essere migliorato con il giusto trattamento termico”. Inoltre, il processo si distingue per la sostenibilità e la conservazione delle risorse con miglioramenti immediati dei costi produttivi.

Libertà geometrica e costruzione leggera come fattori guida
Gli argomenti a supporto della tecnologia a fusione laser di metalli nella costruzione di aeromobili sono la libertà geometrica e la riduzione del peso. L’approccio alla “costruzione leggera” ha lo scopo di aiutare le compagnie aeree a poter utilizzare i loro aerei in modo più economico. I risultati ottenibili nella riduzione del peso vanno nella direzione della diminuzione del consumo di carburante o del potenziale aumento della capacità di carico degli aerei. Il progetto di un nuovo aereo richiede migliaia di strumentazioni per i test di volo (FTI) sulle staffe di supporto, prodotte in quantità molto piccole.
La produzione additiva per strati permette ai progettisti di trovare nuove strutture. I componenti fabbricati in additive sono infatti oltre il 30% più leggeri rispetto alle fusioni tradizionali o alle parti fresate. Inoltre, i dati CAD sono il mezzo diretto per arrivare a una produzione additiva. Il mancato utilizzo di attrezzature riduce i costi e il tempo utile fino al 75% perché il componente sia disponibile all’uso. Poiché in questo processo non sono necessarie attrezzature, è ora possibile in una fase iniziale produrre campioni funzionali che sono simili ai componenti della serie. Questo viene fatto senza costi iniziali per le attrezzature. Ciò significa che le fonti di errore possono essere identificate nelle prime fasi del processo di progettazione al fine di ottimizzarlo. Peter Sander, responsabile Emerging Technologies & Concepts presso Airbus, ad Amburgo, afferma: “In precedenza pianificavamo circa sei mesi di tempo per sviluppare un componente - ora, siamo scesi ad un solo mese”.

Bionica nel componente e nella progettazione
La fusione laser dei metalli permette in modo estremamente ottimale di produrre strutture porose, anche simile all’osso. “I componenti aeronautici futuri avranno quindi un aspetto “bionico” è quello che si aspetta Peter Sander. Non è senza ragione che nel corso di milioni di anni la natura ha ottimizzato dei principi di costruzione funzionali e di leggerezza che riducono al minimo la quantità di risorse necessarie in un modo intelligente. Airbus sta attualmente analizzando le soluzioni presenti in natura in modo strutturato con particolare riguardo alla loro applicabilità.
Facendo affidamento su “strategie intelligenti di esposizione” del laser, è possibile applicare strati a un componente in modo strategico per produrre proprietà personalizzate in termini di struttura, rigidità e qualità superficiale. Peter Sander: “I primi prototipi indicano grandi potenzialità di un approccio bionico. Ci si aspetta che questo processo porti ad un vero e proprio cambiamento di paradigma nella progettazione e nella produzione”.

Qualità come parametro eloquente
Per i produttori nel settore aerospaziale monitorare il processo di produzione del prodotto è uno degli aspetti più importanti per l’applicazione industriale. Ci dice Peter Sander: “In pratica, per processo di monitoraggio in linea con il laser, denominato modulo QMmeltpool dalla Concept Laser, si intende che il sistema utilizza una telecamera a fotodiodi per monitorare il processo entro un’area decisamente piccola di 1 x 1 mm². Il processo viene successivamente documentato”.
Nel 2016 questo modulo sarà esteso nelle tre dimensioni con il modulo QMmeltpool 3D. Il precedente monitoraggio 2D basato sul tempo del processo di fabbricazione diviene una panoramica 3D basata sulla posizione. Al posto di un solo dato riferito al tempo il sistema ora fornisce segnali relativi a posizioni definite paragonabili a una tomografia computerizzata (CT). Questi segnali rendono possibile generare una raccolta dati 3D del pezzo e della sua struttura. Si crea così una panoramica 3D molto accurata del pezzo. Questo permette al QMmeltpool 3D di fornire indicazioni localizzate di difetti nel pezzo. Come risultato, i successivi test e ispezioni vengono ridotti al minimo. Inoltre i dati sono disponibili direttamente dopo il processo di costruzione, con relativo risparmio di tempo. Ulteriori moduli QM per assicurare un’effettiva qualità sono i moduli QMcoating, QMatmosphere, QMpowder e QMlaser. Questi misurano o monitorizzano ad esempio il raggio laser e l’ottimale struttura del layer di polvere di metallo e documenta l’intero processo di produzione senza interruzioni. Un’ulteriore caratteristica in termini di sicurezza di qualità è la capacità di lavorare in un sistema chiuso che assicura che il processo avvenga senza subire contaminazioni. Tutte le influenze distruttive che possono alterare negativamente il processo sono in questo modo eliminate. Frank Herzog dice: “In questi giorni possiamo dire in modo veritiero che si tratta di un processo di fabbricazione regolamentato che fornisce precisione di ripetibilità e affidabilità nel processo”.
Il Professor Dott. Ing. Emmelmann enfatizza dicendo: “Il software QA ora ci consente di monitorare e documentare dati chiave come parametri laser, parametri del bacino di fusione, come anche la composizione dell’atmosfera dei gas inerti. Possono essere eliminate rotture dovute a contaminazione”. Concept Laser può essere anche considerata un pioniere in questo campo dato che la società ha iniziato a lavorare sin dal 2004 su differenti moduli di monitoraggio/sviluppo qualità.

“Green technology” preserva le risorse
Fresare parti nell’industria aeronautica produce più del 95% di scarto riciclabile. Con la fusion laser il cliente ottiene componenti con “profili pressoché finiti” e il processo produce solo circa il 5% di scarto. “Nell’industria aeronautica utilizziamo il rapporto buy to fly, e 90% è considerato un valore fantastico. Questo si riflette ovviamente anche sul bilancio energetico”, secondo il professor Emmelmann. Questo rende il processo particolarmente interessante quando vengono utilizzati materiali aeronautici particolarmente pregiati e costosi, come il titanio. Una strategia di fabbricazione priva di utensili consente di risparmiare tempo e migliora la struttura dei costi. Il consumo mirato di energia e il risparmio delle risorse sono le caratteristiche del processo di fusione laser. Frank Herzog dice: “LaserCUSING è una tecnologia  green e migliora l’impatto ambientale della produzione, di cui spesso si parla”.

Fornitura ricambi 2.0: tempestiva, decentralizzata e “su richiesta”
Le parti di ricambio costituiscono un nuovo settore interessante per gli “aeronauti dell’additive”. In futuro sarà possibile produrli “su richiesta” in posti decentrati senza la necessità di utensili. Nel caso di guasto di un componente il pezzo di ricambio può essere prodotto direttamente sul posto. Possono crearsi reti di produzione decentrate ed è diventano quindi possibile adottare strategie globali e regionali. Questo riduce le distanze e più di tutto i tempi di consegna. Di conseguenza i tempi di fermo dovuti alla manutenzione e all’ispezione per gli aerei si riducono. In futuro sarà possibile ridurre significativamente i grandi depositi di ricambi con i suoi pezzi raramente utilizzati che sono attualmente indispensabili dati i lunghi cicli di vita degli attuali aerei. Un ridotto capitale immobilizzato aumenta la flessibilità e soprattutto il tempo necessario all’ottenimento di componenti importanti per la sicurezza. Questo è molto importante oggi nell’industria dell’aviazione data la forte incidenza dei costi.

Prospettive future
La fusione laser risulta una tecnologia di stampa 3D in grado di produrre “componenti più intelligenti” in quanto si superano le caratteristiche prestazionali dei componenti prodotti tradizionalmente in quasi tutte le dimensioni. In particolare, nel settore aerospaziale esperti di produzione stanno già parlando di un cambiamento di paradigma. A oggi l’industria aerospaziale è pioniera nella produzione additiva, dovuto anche alla dimensione dei lotti in quel settore, ma è previsto lo stesso fenomeno iniziale in quasi tutti i settori industriali, grazie all’aumento dei numeri e delle dimensioni di produzione. I settori chiave in questo senso sono l’industria automobilistica, la tecnologia dentale e medica e l’industria degli utensili e macchine utensili. Non ultimo, nuovi modelli di business sono creati da reti di produzione decentrate come, per esempio, il Laser Zentrum Nord GmbH. Questo permetterà anche di riportare il valore aggiunto della produzione dai paesi a bassi salari ai tradizionali siti di sviluppo industriale in Europa o negli Stati Uniti, aumentandone così in loco la forza innovativa e la velocità.

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La “fusione laser con metalli” si aggiudica la finale

Frank Herzog, fondatore nonché dirigente di Concept Laser (azienda produttrice di macchine e impianti per la stampa in 3D su metalli), è stato scelto, insieme con i suoi due collaboratori, come candidato al “Deutscher Zukunftspreis 2015”, premio che sarà conferito il 2 dicembre prossimo a Berlino. La nomination rappresenta un’ulteriore pietra miliare nella storia dell’azienda, che quest’anno festeggia i suoi primi 15 anni di attività.

di Elisabetta Brendano

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A new cusing Multilaser Metal Additive Manufacturing System

Concept Laser3Concept Laser, the pioneer in the field of laser melting with metals, announced the installation of the M2 cusing Multilaser metal additive manufacturing system at Faustson Tool of Arvada, Colorado. The high precision, machine shop specializes in the aerospace, aeronautics, defense, energy, medical and semiconductor industries. “From our inception, Faustson Tool has committed to being a pioneer in the industry by utilizing new leap-frog technology and pushing the bounds of a traditional machine shop,” said Alicia Svaldi, President, Faustson Tool. “While conducting our in-depth research on additive manufacturing processes available on the market, the LaserCUSING® technology from Concept Laser was the best fit”. “Staying at the forefront of technology is critical, not only to stay competitive, but to provide our customers with the best manufacturing solutions available on the market. Concept Laser’s M2 cusing Multilaser system with 2 x 400 W lasers provides another depth to our manufacturing services,” said Heidi Hostetter, Vice President, Faustson Tool. “There is a tremendous emphasis on UAV and defense in Colorado,” continued Hostetter. “As new technologies, such as metal additive manufacturing came on to the market, our customers began requesting services that could only be produced on an additive manufacturing system. The technology we found from Concept Laser was stronger then other metal additive manufacturing technology available, offered flexible parameters, and fit into our current process seamlessly. The multilaser technology offers throughput similar to higher-powered systems (e.g. 1kW), while maintaining the high-precision and superior finish available with lower power settings”. Concept Laser introduced the redesign of the M2 cusing with multilaser option at the end of 2014. With a new look and fully integrated structure, the M2 is equipped with a new filter design and increased surface area of 20 square meters. The M2 cusing Multilaser is available with 2 x 200 W lasers, or alternatively with 2 x 400 W lasers, and makes use of Concept Laser’s improved segmented exposure strategy for laser melting of metals. The dual-laser configuration increases the machine’s throughput by up to 1.8 times over that of its single-laser counterpart. The increase is dependent on the geometry of the corresponding component. These solutions with multilaser technology are interesting to digital service centers with a tendency to industrial mass production. “Concept Laser is very excited about our partnership with Faustson Tool,” said Zach Murphree, PhD, Regional Manager, Technical Sales Engineer, Concept Laser. “Companies like Faustson Tool represent the next step in the maturation of the additive metals industry, where the technology is gaining acceptance within production facilities, not just OEMs. The M2 cusing Multilaser system is the result of fifteen years of continued metal additive development at Concept Laser and is accelerating the acceptance within the industry, and Faustson is on the leading edge of this wave”.  

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Dental Technology: Laser Melting with Metals

Dental laboratories are facing a digital upheaval. Until now, hand-cast, machined and refined dentures have been the mainstays of dental technology for dentists. Increasingly, however, laser-melted implants, abutments, crowns and bridges are being used in the dentistry field. The Fresdental manufacturing center in Spain is one example of the digital industrialization of dental technology that is changing the face of dentistry.

by Noemi Sala

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Additive Manufacturing in Aircraft Construction is Gaining Ground

Laser melting with metals is increasingly gaining in importance in aircraft manufacturing. The reasons for this are typical concerns in the industry however: quicker throughput times, more cost-effective components and heretofore unimaginable freedom of design. Two new key words, “lightweight” and “bionics” point to an emerging trend: additive manufacturing provides the basis for a new process that is changing the way engineers think about design. In terms of aircraft design, future components will be able to absorb specific lines of force yet still be able to fulfill the demands of lightweight construction methods. At the same time, sustainability and resource conservation make a contribution to overall improvements in cost structures.

by John Storelli

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Moving toward a new level

The strong growth of Concept Laser and high global demand for generative part manufacturing is expanding the company’s activities, which means that capacities must be adapted to keep pace. Accordingly, the company opened a new development center in September 2013.

by Daniel Hund

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Laser used in dental restorations

Along with the quality material remanium star CL from Dentaurum, the Swiss company Zahntechnik Unicim now also offers non-precious titanium alloys. The dental modules manufactured by means of generative metal laser melting on an Mlab cusing R from Concept Laser consist of the certified quality material rematitan CL from Dentaurum. Master Dental Technician Dieter Spitzer of Unicim relies specifically on this technologically certified medical and biocompatible product.

by Noemi Sala

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La polvere metallica diventa orologio di design

Che cosa si prevede nel design post-industriale urbano? Il designer Umberto Palermo di Torino ha preso ispirazione da queste parole per creare una collezione di orologi chiamata WATCH-UP, usando la tecnologia additiva di polveri metalliche. Il look inusuale è stato presentato al pubblico durante un evento benefico intitolato “Event for a Smile” il giugno scorso. Nell’occasione, Umberto Palermo e Santo Versace, Presidente di Operation Smile Italia Onlus Foundation, hanno dato il benvenuto ai loro ospiti sulla terrazza degli uffici torinesi di Up Design.  

di Ilona Scholl

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