Lo stato dell’arte della fabbricazione additiva

L’area espositiva di AITA-ASSOCIAZIONE ITALIANA TECNOLOGIE ADDITIVE alla scorsa edizione di EMO Milano ha rappresentato il punto di incontro per tutti i player del settore, dove è stato possibile seguire gli interventi di aziende, università, centri di ricerca e progetti europei.

Dal 4 al 9 ottobre, a fieramilano, ha avuto luogo EMO Milano, il principale appuntamento espositivo per gli operatori dell’industria manifatturiera mondiale, nel quale le tecnologie additive sono state tra le indiscusse protagoniste. AITA-ASSOCIAZIONE ITALIANA TECNOLOGIE ADDITIVE è stata presente con uno stand condiviso con CECIMO (Associazione Europea dell’Industria della macchina utensile e relative tecnologie manifatturiere), che ha rappresentato il punto di incontro per tutti i player del settore e in cui si è potuto seguire gli interventi di aziende, università, centri di ricerca, progetti europei. 

Un avveniristico robot capace di crescere

Durante la manifestazione, sono stati presentati tre progetti europei legati alla manifattura additiva: GrowBot, Trinity e SAM. GrowBot è un progetto finalizzato alla creazione di un avveniristico robot capace di crescere, da cui il nome Growing Robot, che ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea per circa 7 milioni di euro, per i prossimi quattro anni. Il progetto mira a perseguire un nuovo concetto di prodotto nell’ambito della robotica, che mima le piante con la loro capacità di adattarsi all’ambiente circostante. GrowBot, insieme alla tecnologia di stampa additiva 3D di elettrofilatura, utilizza varie tecnologie per crescere e portare a termine la propria missione, che può essere per esempio quella di consolidare una struttura, portare in posizione un sensore o fungere da substrato o armatura per la crescita di una forma. Questo è un concetto estremamente innovativo, unito al fatto che il robot può avere anche un fine vita. I materiali che vengono utilizzati per la realizzazione di questa automazione, infatti, sono biodegradabili: quando il robot ha portato a termine il proprio compito, anche dopo anni, scompare. Il consorzio GrowBot, con il supporto dei fondi comunitari, ha ricevuto il patrocinio di AITA-ASSOCIAZIONE ITALIANA TECNOLOGIE ADDITIVE, SIRI-Associazione Italiana di Robotica e Automazione e Kilometro Rosso, eccellenza nel campo dell’innovazione a livello europeo. 

Contribuire alla produzione agile

L’obiettivo principale del progetto Trinity è creare una rete di poli di innovazione digitale (DIH) locali multidisciplinari e sinergici composti da centri di ricerca, aziende e gruppi universitari che coprono una vasta gamma di argomenti che possono contribuire alla produzione agile: la robotica avanzata come motore forza e strumenti digitali, privacy dei dati e tecnologie di sicurezza informatica a supporto dell›introduzione di sistemi robotici avanzati nei processi produttivi. Il risultato sarà uno sportello unico per metodi e strumenti per ottenere una produzione altamente intelligente, agile e riconfigurabile, che garantirà il benessere dell’Europa in futuro. 

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Identificare e anticipare le competenze per la manifattura additiva

Gran parte della forza lavoro industriale non ha sufficienti competenze in aree emergenti come le analitiche avanzate, la robotica, la produzione digitale e additiva. Pertanto, molte aziende incontrano difficoltà nell’assumere ingegneri, operatori e tecnici specializzati. Le iniziative e i progetti esistenti affrontano la carenza di competenze “rispondendo” alla domanda di personale del settore piuttosto che “pianificare” come sviluppare le competenze necessarie. 

Nel settore della manifattura additiva, il progetto europeo SAM – Sector Skills Strategy in Additive Manufacturing (inizio 2019 – fine 2022) – sta lavorando per risolvere questo problema. L’obiettivo principale è far fronte all’attuale esigenza europea di sviluppare un sistema efficace per identificare e anticipare le competenze necessarie per la manifattura additiva. 

Libertà di progettazione e flessibilità di produzione

Il Professor Luca Iuliano, del Dipartimento di Ingegneria Gestionale e della Produzione – Centro Interdipartimentale Integrated Additive Manufacturing IAM@PoliTo, ha presentato la relazione dal titolo: “Libertà di progettazione e Flessibilità di produzione con l’Additive Manufacturing”. Il Professor Iuliano ha spiegato che le tecniche di Additive Manufacturing risultano vincenti solamente se il prodotto viene concepito per essere realizzato con questa tecnologia innovativa. La fase di progettazione inoltre influenza pesantemente i costi del prodotto, si stima infatti che il 70% di questi sia imputabile alle scelte progettuali. Le metodologie di progettazione per l’AM sono note con il termine di Design for Additive Manufacturing (DFAM) e permettono di ottenere significativi vantaggi in termini di riduzione di peso e del numero di elementi; lo slogan che si può citare è “Mettere il materiale solo dove serve”. Dal momento che con l’AM metallo non è possibile ottenere particolari finiti, occorre saper integrare correttamente le lavorazioni meccaniche di finitura per le zone di accoppiamento. 

È stata illustrata un’interessante applicazione del DFAM di una guida in lega di alluminio per una macchina di collaudo per il MEMS. L’elemento originale era composto di 18 elementi assemblati ottenuti per lavorazione meccanica dal pieno visto che i volumi produttivi non rendono economico la produzione del semilavorato. I risultati ottenuti hanno permesso, a parità di prestazioni meccaniche, di ridurre i 18 componenti originali a 1 e il peso del 32%. Dal momento che la guida eccede le dimensioni del volume di lavoro delle attuali macchine di AM a letto di polvere con sorgente laser, la guida è stata suddivisa in tre parti prevedendo opportuni riferimenti per l’assemblaggio successivo. Da sottolineare che l’unica operazione di lavorazione meccanica successiva all’assemblaggio è la rettificatura delle parti di scorrimento delle guide mentre i canali per il passaggio del lubrificante sono stati integrati nella guida stessa. 

La fabbricazione additiva per le transizioni digitali e verdi

La Professoressa Bianca Maria Colosimo, del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano – MADE Competence Center, ha illustrato come la fabbricazione additiva rappresenti un insieme di tecnologie abilitanti per la transizione gemella, combinando le transizioni verdi e digitali in una visione unificante. Da un lato, la maggior parte delle fasi dell’AM si svolge in una dimensione digitale, a partire dalla progettazione del prodotto attraverso l’ottimizzazione della topologia, alla simulazione del processo; dall’estrazione dei dati in situ, il monitoraggio e il controllo alla rappresentazione basata sui voxel della parte stampata finale attraverso la TAC a raggi X. Durante tutte queste fasi, il flusso di grandi dati deve essere gestito e l’IA/estrazione di grandi dati può essere usata efficacemente con l’obiettivo di estrarre informazioni rilevanti e prendere decisioni appropriate, spostando così l’AM verso la produzione a zero rifiuti, una leva importante della transizione verde. Dall’altro lato, altre dimensioni digitali supportano la produzione sostenibile. A livello di design, il design leggero ha un impatto sul risparmio di carburante e sull’impronta di CO2 nella mobilità (aerospaziale e automobilistica); il design funzionale può mirare all’efficienza termica (per esempio, il raffreddamento conforme) e la riduzione del numero di componenti che l’AM può supportare di solito si traduce in una maggiore durata e una significativa semplificazione/accorciamento della catena di fornitura, che rappresentano un’ulteriore fonte di risparmio di risorse. Alla fine, la riparazione del prodotto attraverso la deposizione di materiale e la produzione di pezzi di ricambio può rafforzare ulteriormente la dimensione verde dell’AM. Infine, il riciclaggio e il risparmio di materiale possono essere considerati come una direzione promettente per gli sviluppi futuri. 

La biofabbricazione

Il Professor Giovanni Vozzi, del Centro di Ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa, ha trattato il tema della biofabbricazione. L’ingegneria tissutale (TE) è un campo interdisciplinare che combina ingegneria e medicina per sviluppare costrutti biologici che mirano a ripristinare le normali funzionalità di tessuti od organi danneggiati. L’approccio classico della TE utilizza gli scaffold, cioè strutture 3D e porose che forniscono un supporto meccanico alle cellule in crescita per rigenerare o studiare in vitro un tessuto umano. Le tecniche di fabbricazione degli scaffold possono essere divise in due macro gruppi: tecniche di fabbricazione convenzionali (ad esempio, schiumatura di gas e separazione di fase) e tecniche di fabbricazione additiva (ad esempio, stereolitografia, bioprinting basato sull’estrusione (EBB), stampa a getto d’inchiostro). Le tecnologie AM costruiscono un oggetto 3D da un modello digitale strato per strato e permettono di controllare finemente la geometria dell’oggetto con alta ripetibilità. Inoltre, le tecnologie AM possono essere facilmente integrate con immagini mediche (ad esempio, la tomografia computerizzata), consentendo così la produzione di costrutti specifici per il paziente. In questo contesto, le tecnologie AM utilizzate per fabbricare impalcature 3D per la TE sono solitamente denominate bioprinting. Sebbene siano stati raggiunti notevoli risultati in TE grazie al bioprinting, la ricerca sta spingendo la tecnologia verso nuove e innovative tendenze, come la combinazione di più tecniche di bioprinting in un unico apparato, il bioprinting a quattro dimensioni (4D), cioè la fabbricazione di oggetti 3D con la capacità di trasformare la forma nel tempo quando esposti a uno stimolo predefinito, e il bioprinting in-situ, cioè il bioprinting diretto di materiale biologico su e nel sito danneggiato del paziente. 

L’industrializzazione del processo AM

Stefano Pinca, dell’IIS-Istituto Italiano della Saldatura, ha trattato il tema dell’industrializzazione del processo AM tra standardizzazione e qualifica del personale. Secondo Trinca, l’industrializzazione di un processo di fabbricazione ne sancisce la sua più elevata maturità tecnologica. La definizione di pratiche condivise e l’individuazione dei requisiti del manufatto sono essenziali per il controllo del processo di fabbricazione additiva che, a tutti gli effetti, si configura quale processo speciale secondo le definizioni delle normative nell’ambito dei Sistemi di Gestione, ovvero un processo che deve essere condotto attraverso un percorso di validazione per assicurare la conformità ai requisiti individuati nel progetto del prodotto. L’attività di normazione attraverso modalità trasparenti, democratiche e basate sul consenso, crea gli strumenti ovvero le istruzioni per il conseguimento della “Consistency, Predictability, Traceability e Quality Control” del processo produttivo. L’intervento ha fornito un aggiornamento dei lavori dei comitati tecnici degli enti di normazione (UNI-CEN-ISO) e delle associazioni di riferimento sull’Additive Manufacturing. Quale esempio di approccio alla qualificazione del processo è stato esposto il contenuto del documento AWS D20.1, che mette in risalto anche la necessità di operare con personale qualificato. La verifica dell’idoneità e della preparazione del personale addetto alla produzione contribuisce all’evidenza oggettiva della corretta gestione aziendale dei processi produttivi, in particolare di quelli a maggiore valore aggiunto, nonché fornisce un contributo al presidio legale a tutela della responsabilità del fabbricante e, in ogni caso, costituisce una significativa e riconoscibile valenza tecnica e qualitativa del prodotto. A questa esigenza risponde l’International Additive Manufacturing Qualification Scheme – IAMQS, primo network internazionale di qualificazione professionale per le tecnologie di fabbricazione additiva, al quale IIS aderisce per la qualificazione degli operatori della tecnologia PBF-L. 

Il ruolo di materiali, reti di imprese e tecnologie

“Materiali – tecnologie – reti di imprese a supporto acquisti e progettazione in mercati sempre più complessi” è stata la relazione proposta da Alberto Claudio Tremolada, General Manager Metatech Group Fonderie; Competence Center Manufacturing Manager Adaci nonché Coordinator Task Force A.E.S.C. Erma (European Raw Materials Alliance). Il ruolo di materiali, reti di imprese e tecnologie è fondamentale come supporto ad acquisti e progettazione in mercati sempre più complessi. Il Covid ha scoperchiato criticità esistenti di dipendenza per gli approvvigionamenti da paesi come la Cina (materie prime), Russia (gas) o multinazionali shipping che stanno pesantemente impattando sui costi-disponibilità e profittabilità delle nostre imprese. Emanuele Bompan (uno dei massimi esperti di economia circolare) rileva che la circolarità è più sbilanciata verso un ritorno alle usanze dell’epoca pre-consumismo e verso un utilizzo intensivo delle nuove tecnologie. Che servono soprattutto tecnologie digitali, quelle che smaterializzano processi, permettono di modellizzare l’economia circolare e di ottimizzare risorse, energia e logistica. Ma serve anche tanto design. Se noi progettiamo bene prodotti e processi, potremo impiegare innanzitutto meno materiali, ma anche meno tecnologie, invece di eccedere nel loro utilizzo. 

Ottimizzare i processi powder bed fusion dei metalli

Silvio Parise, Application Engineer di Prima Industrie, ha presentato la relazione dal titolo: “Differenti lunghezze d’onda per l’ottimizzazione dei processi powder bed fusion dei metalli”. Durante il suo intervento, Parise ha presentato Print Genius 150 “Double Wavelength”, l’innovativa configurazione delle sorgenti laser che rende unica la macchina powder bed fusion di Prima Additive. Print Genius 150 Double Wavelength permette infatti di selezionare differenti lunghezze d’onda al fine di processare in maniera ottimale differenti materiali. La conseguente flessibilità data dal macchinario e la possibilità di utilizzare diverse features in real time si presta allo studio di diversi e nuovi materiali legati soprattutto al settore aerospaziale, in particolare al sempre e più crescente settore della space economy del mercato satellitare. 

Ottenere il massimo del beneficio nella stampa 3D di pezzi di metallo

Enrico Orsi, Responsabile per l’Italia delle tecnologie additive Renishaw, ha spiegato come ottenere il massimo del beneficio nella stampa 3D di pezzi di metallo. La produzione additiva di pezzi in metallo si sta affermando in alcuni settori come una straordinaria risorsa per produrre oggetti che altrimenti sarebbero stati impossibili da realizzare. Per applicarla al meglio, ottenendo il massimo beneficio e riducendo al minimo il rischio, basta seguire alcune semplici regole. Nella presentazione Orsi ha fornito spunti per l’integrazione di questa tecnologia in processi produttivi esistenti, prendendo in esame le domande che bisogna porsi per affrontare al meglio la sfida rappresentata dall’introduzione in azienda di un nuovo, diverso concetto produttivo. Ha spiegato come sviluppare all’interno di tutte le funzioni aziendali la fiducia nei nuovi mezzi tecnologici nonché come impostare le basi per un calcolo del valore e del costo di pezzi così realizzati. Inoltre ha illustrato un concetto di scaletta di inserimento in azienda, basato sull’esperienza raccolta nella collaborazione con clienti chiave, che assicura un percorso semplice e rapido verso il raggiungimento dei maggiori benefici. 

Far incontrare domanda e offerta di servizi di stampa 3D in Europa

Il progetto pilota 3DP, uno strumento di matchmaking online che facilita la generazione di progetti di innovazione nella catena del valore dell’Additive Manufacturing, è stato presentato da Jean-François Romainville di IDEA Consult, Network Manager del progetto 3DP. 3DP è uno dei sette progetti pilota della Vanguard Initiative. L’obiettivo chiave del progetto 3DP è il co-sviluppo e la diffusione di soluzioni basate sull’AM. Per fare ciò, 3DP collega gli “innovatori” (PMI/utenti finali, fornitori di tecnologia, centri di strutture, università, cluster, associazioni industriali e rappresentanti regionali) di 32 regioni dell’UE e facilita la generazione e l’attuazione di progetti dimostrativi interregionali guidati dall’industria (TRLs 6-8) nel campo dell’Additive Manufacturing. Per esempio, nel 2021, 3DP è stato in grado di implementare nove progetti dimostrativi transfrontalieri guidati dalle PMI in aree di applicazione come Machine & Tool, Automotive, ecc. 

Al fine di collegare la domanda e l’offerta di servizi dimostrativi in tutta l’UE e di generare progetti specifici per le applicazioni, 3DP sta sviluppando tre strumenti distinti:
1- una piattaforma di pitching, dove i membri possono presentare nuove idee di progetto e trovare le competenze complementari e le attrezzature che stanno cercando; 
2 – aree strutturali di cooperazione, dove le reti di partner lavorano strutturalmente su un’area specifica (una specifica sfida industriale, una tecnologia, un’area di applicazione, ecc.); 
3 – uno strumento di matchmaking, per connessioni dirette e automatizzate tra gli attori. Questo strumento di matchmaking è stato sviluppato dal 3DP in collaborazione con i suoi partner/membri (3DP PAN EU, Brainport Development, IDEA Consult, CIVITTA, ART-ER S. cons. p.a., Asterion Europe, Qualified Technology, Vanguard Initiative).