{"id":16175,"date":"2025-12-09T12:18:48","date_gmt":"2025-12-09T11:18:48","guid":{"rendered":"https:\/\/www.publiteconline.it\/applicazioni-laser\/?p=16175"},"modified":"2025-12-09T12:46:20","modified_gmt":"2025-12-09T11:46:20","slug":"additive-manufacturing-e-alimentare-il-caso-di-un-cilindro-mantecatore","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.publiteconline.it\/applicazioni-laser\/additive-manufacturing-e-alimentare-il-caso-di-un-cilindro-mantecatore\/","title":{"rendered":"Additive Manufacturing e alimentare: il caso di un cilindro mantecatore"},"content":{"rendered":"\n

L\u2019Additive Manufacturing tramite il processo Powder Bed Fusion-Laser Beam (PBF-LB) sta aprendo nuove prospettive anche nel settore alimentare, consentendo la realizzazione di componenti metallici complessi in un singolo pezzo. Un caso significativo \u00e8 la riprogettazione del cilindro mantecatore di una macchina per gelato artigianale, sviluppata dall\u2019azienda Elfim srl in collaborazione con il Dipartimento di Meccanica, Matematica E Management (DMMM) del Politecnico di Bari (PoliBa).<\/h2>\n\n\n\n

Tramite il processo Powder Bed Fusion-Laser Beam (PBF-LB)<\/strong> \u00e8 stato possibile ripensare completamente cilindro mantecatore di una macchina per gelato artigianale, sviluppata dall\u2019azienda ELFIM srl<\/a><\/strong> in collaborazione con il Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM) del Politecnico di Bari (PoliBa)<\/a><\/strong>. Grazie a questa riprogettazione \u00e8 stata possibile ottenere miglioramenti significativi in termini di geometria, prestazioni termiche, peso e semplificazione produttiva. <\/p>\n\n\n\n

Questo articolo illustra la fattibilit\u00e0 della fabbricazione del mantecatore<\/strong> mediante Additive Manufacturing <\/strong>PBF-LB descrivendo le esigenze iniziali, le criticit\u00e0 della produzione tradizionale e le soluzioni offerte dalla tecnologia PBF-LB. Il lavoro di ricerca industriale<\/strong> \u00e8 stato sviluppato nell\u2019ambito del progetto \u201cELFIM-Smart Supervisor & Controller\u201d, finanziato dalla Regione Puglia con il bando P.O. PUGLIA FESR 2014-2020 Asse I \u2013 Obiettivi specifici 1a Azione 1.1 Sub-Azione 1.1.c Regolamento Regionale del 30 settembre 2014, n. 17 e s.m.i. \u2013 Titolo II \u2013 Capo 2 \u2013 Art. 27 AIUTI AI PROGRAMMI INTEGRATI DI AGEVOLAZIONE \u2013 PIA, CUP B89C22000000007.<\/p>\n\n\n\n

Esigenze e limiti della produzione tradizionale<\/h3>\n\n\n
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Figura 1 – Confronto tra i due approcci: il design PBF-LB integra funzioni e consente un pezzo unico<\/em>
(a sinistra); il tradizionale richiede spirali esterne, saldature e assemblaggi.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

La tecnologia PBF-LB consente di fabbricare direttamente oggetti metallici complessi strato su strato, fondendo selettivamente polvere metallica mediante un raggio laser<\/strong>. Ci\u00f2 offre grande libert\u00e0 progettuale, permettendo, ad esempio, di realizzare canali interni sagomati, strutture conformate e di integrare pi\u00f9 parti in un unico corpo. Questo lavoro presenta uno studio di fattibilit\u00e0 relativo alla progettazione e successiva realizzazione di un componente di una macchina per uso alimentare<\/strong> mediante il processo PBF-LB.<\/p>\n\n\n\n

In particolare, lo studio \u00e8 stato focalizzato sul cilindro mantecatore <\/strong>di una macchina per la produzione di gelato. Il cilindro mantecatore \u00e8 il cuore della macchina per gelato: le pareti del cilindro sono dotate di canali in cui scorre fluido refrigerante che congela rapidamente la miscela posizionata all\u2019interno del cilindro. Contemporaneamente, una frusta impastatrice mescola continuamente la miscela e stacca il gelato che si forma aderendo alle pareti, impedendogli di creare cristalli di ghiaccio e mantenendo una consistenza cremosa. Nella produzione tradizionale<\/strong>, il mantecatore \u00e8 realizzato tramite lavorazioni meccaniche convenzionali e successivi assemblaggi: il cilindro interno viene tornito e forato; una spirale in acciaio viene infilata lungo la superficie esterna del cilindro e fissata mediante saldatura TIG; il componente viene poi immerso in azoto liquido per contrarlo di circa un decimo di millimetro e consentirne l\u2019inserimento in una camicia esterna metallica, ottenendo cos\u00ec un\u2019intercapedine ermetica, a spirale di sezione rettangolare, in cui potr\u00e0 circolare il fluido refrigerante. Successivamente, sul semi-assemblato cos\u00ec ottenuto vengono saldati vari altri elementi (flange, tappi, raccordi, supporti) per il completamento del mantecatore. Infine, viene eseguita una barenatura interna per garantire un preciso accoppiamento della camera con la frusta mescolatrice. Il risultato \u00e8 un pezzo multi-componente, la cui fabbricazione richiede diverse fasi di lavorazione, con tempi e costi elevati.<\/p>\n\n\n\n

Le criticit\u00e0 principali<\/strong> identificate sono dunque: la complessit\u00e0 produttiva (molte operazioni e montaggi), il peso elevato del componente assemblato, e l\u2019impossibilit\u00e0 di ottimizzare liberamente la geometria a causa dei limiti delle lavorazioni sottrattive. La riprogettazione nasce, dunque, dall\u2019esigenza di migliorare la produttivit\u00e0 e le prestazioni del mantecatore, riducendo tempi e costi, senza compromettere l\u2019idoneit\u00e0 alimentare del materiale e l\u2019efficienza dello scambio termico.<\/p>\n\n\n\n

Nel caso del mantecatore, l\u2019approccio Additive Manufacturing PBF-LB ha aperto la strada a una riprogettazione integrale del cilindro<\/strong>, eliminando molte delle limitazioni precedenti. L\u2019idea chiave \u00e8 stata quella di incorporare nel modello CAD del cilindro il circuito di refrigerazione sotto forma di canale elicoidale interno, da costruire direttamente durante la stampa 3D<\/a><\/strong>. Cos\u00ec facendo, il nuovo componente viene realizzato in un solo pezzo, senza necessit\u00e0 di saldature o montaggi successivi. Inoltre, tale metodologia porta ad una riduzione del materiale impiegato, con conseguente riduzione del peso e dei tempi di fabbricazione.<\/p>\n\n\n\n

Nonostante le opportunit\u00e0, il processo PBF-LB pone anche vincoli progettuali specifici<\/strong>: occorre garantire l\u2019auto-sostenibilit\u00e0 delle geometrie durante la costruzione (per evitare cedimenti degli strati di polvere non consolidati). In questo progetto, ad esempio, si \u00e8 limitato il diametro dei canali elicoidali a 8 mm, per evitare la necessit\u00e0 di realizzare supporti all\u2019interno. Inoltre, sono stati aggiunti supporti temporanei nella parte inferiore del cilindro. Questi accorgimenti di Design for Additive Manufacturing (DfAM) hanno assicurato una stampa di successo, evitando deformazioni o imprecisioni.<\/p>\n\n\n\n

Metodologia<\/h3>\n\n\n
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\"Figura
Figura 2 – Modello CAD (a sinistra) e sezione del cilindro mantecatore (centro) con canale elicoidale interno (a destra).<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Il cilindro mantecatore, \u00e8 stato, quindi, riprogettato in chiave Additive Manufacturing. La nuova geometria<\/strong> si distingue nettamente dal design originale (vedi Figura 2): all\u2019esterno il cilindro appare simile, ma all\u2019interno incorpora un canale elicoidale circonferenziale, integrato nello spessore della parete (in pratica una serpentina interna). Il canale si avvolge lungo l\u2019altezza del cilindro con passo di circa 11 mm, consentendo al fluido refrigerante di percorrere un tragitto a spirale intorno alla camera dove si forma il gelato. In sostanza, si ottiene la stessa funzione del circuito creato mettendo insieme cilindro interno, spirale saldata e camicia esterna, ma mediante un canale elicoidale facente parte integrante di un pezzo unico. Ci\u00f2 libera il progetto dai vincoli di fissaggio della spirale e permette anche curve pi\u00f9 dolci e uniformi per il flusso refrigerante, migliorando anche lo scambio termico. La Figura 2 mostra il modello 3D del nuovo mantecatore (a sinistra) e una sezione longitudinale (al centro), che evidenzia il percorso del canale elicoidale interno, rappresentato, trasformando il vuoto in pieno, nell\u2019immagine a destra.<\/p>\n\n\n\n

Il canale elicoidale interno \u00e8 stato riprogettato con una sezione circolare per consentire non solo, come da progetto iniziale, un flusso continuo del refrigerante<\/strong> lungo l\u2019intera altezza del cilindro, ma per ottimizzare lo scambio termico e ridurre le perdite di carico rispetto alla sezione rettangolare iniziale. Inoltre, la fabbricazione additiva ha permesso di ottenere un pezzo monolitico, eliminando saldature e assemblaggi meccanici<\/strong>. Questo approccio ha ridotto la complessit\u00e0 produttiva presente nella configurazione tradizionale. Grazie a questa soluzione geometrica, l\u2019intero scambiatore termico \u00e8 stato progettato in un unico pezzo. Oltre al circuito interno, \u00e8 stata effettuata un\u2019ottimizzazione topologica con l\u2019intento di alleggerire la struttura. Il \u201cdesign for additive\u201d ha eliminato flange o supporti prima necessari per assemblaggi, razionalizzando la forma complessiva. Il nuovo cilindro, privo di elementi aggiuntivi, risulta inoltre pi\u00f9 compatto. Naturalmente si \u00e8 dovuto mantenere l\u2019interfacciamento meccanico con la frusta impastatrice esistente; quindi, attacchi e dimensioni critiche (diametro interno, sede dei cuscinetti, fori per i raccordi del refrigerante, etc.) sono state rispettate per garantire la retrocompatibilit\u00e0 con la macchina<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Produzione additiva mediante PBF-LB<\/h3>\n\n\n
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Figura 3 – Immagini catturate durante la stampa che mostrano lo sviluppo del canale elicoidale.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Definito il progetto, si \u00e8 passati alla realizzazione tramite macchina PBF-LB<\/strong> (vedi Figure 3 e 4). A tal fine, il Politecnico di Bari ha messo a disposizione il proprio impianto Concept Laser M1 LaserCUSING<\/strong>. Per la fabbricazione \u00e8 stato utilizzato l\u2019acciaio inossidabile AISI 316L, noto per l\u2019elevata resistenza a corrosione e ossidazione e per la facilit\u00e0 di pulizia, propriet\u00e0 imprescindibili nelle applicazioni alimentari. La polvere di AISI 316L <\/strong>selezionata per la stampa (Mimete Metal Powders) proviene da atomizzazione a gas ed ha granulometria compresa nel range 15\u201345 \u03bcm.<\/p>\n\n\n

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Figura 4 – Il cilindro mantecatore realizzato in PBF-LB (AISI 316L).<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

La Figura 3 mostra alcune delle immagini catturate durante il processo di stampa, in cui \u00e8 evidente lo sviluppo del canale elicoidale interno alle pareti del cilindro mantecatore. Un sistema di monitoraggio in process<\/strong> ha permesso di verificare la corretta esecuzione della costruzione e, in particolare, la realizzazione del canale di refrigerazione integrato. Al termine della costruzione, completata con successo, il pezzo \u00e8 stato estratto dalla camera e ripulito dalla polvere metallica non fusa, soprattutto all\u2019interno del condotto elicoidale. Infine, il mantecatore \u00e8 stato ottenuto esattamente come atteso (Figura 4). A differenza del metodo tradizionale che richiedeva pi\u00f9 componenti e fasi per ottenere il pezzo finito, in tal caso si \u00e8 avuta un\u2019unica lavorazione e un unico componente monolitico<\/strong>, senza assemblaggi n\u00e9 saldature. Questo ha semplificato enormemente la produzione: basta una sola macchina e un solo ciclo per passare dal file CAD al pezzo solido. Naturalmente, a stampa conclusa sono state necessarie alcune operazioni di post-processo<\/strong>: il cilindro \u00e8 stato separato dalla piastra di costruzione, quindi, sono stati rimossi i supporti e sono state lavorate in tornitura le superfici di base e quelle di accoppiamento critiche. Inoltre, i fori di ingresso\/uscita del refrigerante sono stati filettati e l\u2019interno del cilindro \u00e8 stato alesato per garantire la finitura e le tolleranze necessarie al contatto con il gelato ed al corretto funzionamento della frusta rotante.<\/p>\n\n\n\n

Benefici ottenuti: peso, tempi e costi<\/h3>\n\n\n\n

I vantaggi conseguiti<\/strong> con il nuovo mantecatore in PBF-LB sono stati notevoli. Anzitutto, vi \u00e8 stata una rilevante riduzione del peso: il componente originario pesava circa 5,72 kg, mentre il nuovo cilindro ottimizzato pesa solo 2,74 kg. Si tratta di un alleggerimento del 52% circa. Questo risparmio di materiale non solo facilita la movimentazione e l\u2019installazione del pezzo, ma incide positivamente sul funzionamento termico (minore massa metallica da raffreddare ad ogni ciclo) e sulle sollecitazioni meccaniche. Anche i tempi di produzione si sono accorciati<\/strong>: eliminando molte fasi intermedie (lavorazioni separate, attesa tra processi, montaggi manuali), il lead time per ottenere il pezzo finito si riduce. <\/p>\n\n\n\n

Sebbene la stampa 3D metallica richieda diverse ore, essa condensa in un unico step ci\u00f2 che prima era distribuito su pi\u00f9 reparti e giorni di lavoro. Per piccole serie o prototipi, questo significa consegne pi\u00f9 rapide. Sul fronte dei costi, la convenienza dipende dal contesto: l\u2019PBF-LB comporta un costo per unit\u00e0 relativamente alto (macchina e polvere hanno costi elevati), ma nel caso specifico pu\u00f2 risultare competitivo considerando la forte diminuzione di manodopera e di passaggi produttivi<\/strong>. Non dover saldare e assemblare componenti abbassa il rischio di difetti e scarti, migliorando la qualit\u00e0 complessiva e la ripetibilit\u00e0. Inoltre, l\u2019ottimizzazione del progetto ha comportato un minor spreco di materiale (polvere non fusa recuperabile) rispetto alle lavorazioni sottrattive classiche, che producono quantit\u00e0 notevoli di materiali di risulta sottoforma di trucioli. <\/p>\n\n\n\n

\u00c8 stato anche condotto uno studio numerico di ottimizzazione, con software di simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics)<\/strong>, al fine di individuare geometrie ottimali delle sezioni del canale elicoidale, al fine di incrementare lo scambio termico tra il fluido refrigerante ed il gelato. L\u2019ottimizzazione dello scambio termico permetterebbe la riduzione dei tempi di attesa tra il riempimento del mantecatore con il prodotto liquido e lo spillamento del primo gelato e l\u2019incremento del numero di spillamenti consecutivi, nonch\u00e9 il miglioramento dell\u2019efficienza energetica dell\u2019intera macchina. Nella Figura 5 sono mostrate alcune di queste geometrie, di cui \u00e8 stata anche dimostrata la fattibilit\u00e0 realizzando un settore angolare di una spira per ciascuna di esse: tali geometrie complesse<\/strong>, che possono includere anche appendici per la generazione di turbolenze atte a incrementare lo scambio termico, sono realizzabili solo grazie al processo additivo utilizzato. In sintesi, l\u2019applicazione della PBF-LB per la fabbricazione del nuovo mantecatore ha garantito un risparmio di materiale, tempo e peso significativi. Da notare anche un potenziale miglioramento prestazionale<\/strong>: il nuovo cilindro monolitico, dovrebbe favorire uno scambio termico pi\u00f9 efficiente e uniforme con il gelato.<\/p>\n\n\n

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Figura 5 – Campioni realizzati in PBF-LB (AISI 316L) con geometrie differenti della sezione del canale elicoidale.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Considerazioni finali<\/h3>\n\n\n\n

La tecnica PBF-LB si \u00e8 rivelata una tecnologia abilitante<\/strong> per innovare un componente tradizionale come il cilindro mantecatore. Il caso studio ha dimostrato che, attraverso una riprogettazione intelligente pensata per l\u2019Additive Manufacturing, \u00e8 possibile ridurre il peso ed i tempi di produzione di parti destinate all\u2019industria alimentare, senza sacrificare la qualit\u00e0 n\u00e9 la conformit\u00e0 alle normative specifiche di settore. L\u2019adozione dell\u2019Additive Manufacturing ha eliminato le criticit\u00e0 di assemblaggio e ha introdotto nuove possibilit\u00e0 di design, impensabili con i metodi convenzionali.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019innovativo mantecatore \u00e8 stato sviluppato nell\u2019ambito di un progetto R&S dal titolo \u201cELFIM- Smart Supervisor & Controller\u201d<\/strong>, codice pratica C5981D0, CUP B89C22000000007, finanziato dalla Regione Puglia con il bando PIA \u201cAiuti ai programmi integrati promossi da PICCOLE IMPRESE\u201d.<\/p>\n\n\n\n

Il progetto vede la collaborazione tra l\u2019azienda ELFIM srl, il Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Politecnico di Bari e RINA Consulting S.p.A<\/a><\/strong>. Il progetto \u00e8 finalizzato ad introdurre un\u2019innovazione di prodotto e processo<\/strong> relativa alla produzione di componenti e di macchine, perseguendo i seguenti obiettivi: ottimizzazione sostenibile delle risorse, definizione di modelli che garantiscano una configurazione dinamica del layout dell\u2019impianto, di definizione del processo produttivo basato su metodologie e tecniche di additive manufacturing. Con il supporto di POLIBA, ELFIM ha messo a punto un nuovo prodotto (un nuovo mantecatore), mediante la tecnica additiva PBF-LB. Mentre, con il supporto di RINA Consulting, ha ottimizzato il suo processo produttivo. Il sistema proposto consente di supervisionare e ottimizzare l\u2019intero ciclo di produzione<\/strong>, con l\u2019obiettivo di migliorare l\u2019efficienza dell\u2019impianto produttivo. Inoltre, tecniche di simulazione avanzata garantiscono una configurazione dinamica del layout produttivo, in grado di rendere la produzione stessa pi\u00f9 flessibile ed efficiente.<\/p>\n\n\n\n

di Vito Errico, Andrea Angelastro, Michele D\u2019Alonzo e Sabina Luisa Campanelli<\/em><\/p>\n\n\n\n

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L\u2019Additive Manufacturing tramite il processo Powder Bed Fusion-Laser Beam (PBF-LB) sta aprendo nuove prospettive anche nel settore alimentare, consentendo la realizzazione di componenti metallici complessi in un singolo pezzo. 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