La gamma di opportunità offerte dalla fabbricazione additiva dei metalli

Il valore del mercato globale dei metalli si aggira intorno ai 600 miliardi di dollari l’anno. Attualmente la diffusione della fabbricazione additiva in questo ambito è ancora minima, ma la crescita rapida del settore dei metalli spinge a interrogarsi su quali saranno le opportunità offerte dall’AM.

di Andreas Langfeld

La lavorazione tradizionale dei metalli è la base del know-how di ogni ingegnere, produttore e progettista. Tutti i settori, dalla formatura alla fusione, dall’assemblaggio al taglio, ricorrono in qualche modo alla lavorazione dei metalli. Esistono ovviamente molti vantaggi nell’impiego dei processi tradizionali. Ad esempio, nel caso della microfusione, gli ingegneri apprezzano la finitura ottimale delle superfici e la grande precisione in termini dimensionali, associate alla capacità di fondere quasi tutti i tipi di metallo. D’altra parte, la microfusione è un processo estremamente costoso, non adatto in caso di volumi ridotti e richiede una notevole quantità di manodopera. L’elenco delle tecniche metallurgiche tradizionali può continuare, e con esso anche l’elenco dei vantaggi e dei rischi a esse associati. Tuttavia, in molti settori, le aziende stanno cercando di sostituire i processi tradizionali con tecnologie più avanzate, con l’obiettivo di promuovere l’innovazione, migliorando al contempo la loro operatività e riducendo i costi. La fabbricazione additiva è una di queste tecnologie.

Fabbricazione additiva: un business del valore di oltre 9,3 miliardi di dollari
Nel 2018, il valore globale del settore della fabbricazione additiva è stato valutato oltre 9,3 miliardi di dollari (fonte pubblicazione SmarTech, 2018), con un rapido aumento previsto ogni anno. Per sua natura, la fabbricazione additiva è una tecnologia che offre agli utenti un gran numero di vantaggi chiave. Essi possono infatti usufruire di una grande libertà di progettazione, grazie alla rimozione dei tradizionali vincoli di progettazione; componenti che in precedenza erano impossibili da realizzare possono essere prodotti in modo semplice e a costi ridotti grazie all’utilizzo di una stampante 3D.
Altri vantaggi includono la riduzione del peso e dei tempi di lavorazione e la garanzia di prestazioni migliori, e questo vale sia per la fabbricazione additiva in metallo sia per quella basata sulla termoplastica. L’analisi eseguita da molti esperti ha rivelato che per specifiche applicazioni, la fabbricazione additiva dei metalli potrebbe aprire una nuova era nella produzione.
Un esempio di tutto questo è GE, che ha rivelato che, grazie alla fabbricazione additiva, per la produzione dell’alloggiamento di un iniettore di carburante di un razzo è stato possibile passare da 150 parti a 2 sole parti e da un tempo di lavorazione di 9 mesi a 10 giorni.

Nel 2016, vendute nel mondo più di 1.000 macchine per l’AM dei metalli
Un rapido sguardo alla crescita degli investimenti nella fabbricazione additiva in metallo evidenzia il potenziale di questo settore. Nel 2016, nel mondo sono state vendute oltre 1.000 macchine per la fabbricazione additiva dei metalli.
Aziende come GE, UTC e Alcoa stanno investendo in maniera consistente nella tecnologia: rispettivamente 1.300, 75 e 60 milioni di dollari. Le previsioni attuali suggeriscono che il CAGR del settore è in crescita del 47% ogni anno, con la prospettiva di raggiungere entro il 2026 un mercato di 7 miliardi di dollari (fonte Wholers 2017, SmarTech 2017). I mercati che guidano in maniera predominante l’adozione di questa tecnologia sono quelli della lavorazione industriale e i settori automobilistico e aerospaziale.
Tuttavia, per gli utenti finali che cercano di implementare questa nuova tecnologia all’interno delle loro aziende, tale potenziale non ha alcun significato se non si comprendono a fondo pregi e limiti della tecnologia attualmente presente sul mercato.

Vantaggi e limiti del processo di fabbricazione additiva dei metalli
A livello generale, il panorama della fabbricazione additiva dei metalli è dominato da quattro tecnologie principali. In primo luogo, la Powder Bed Fusing (PBF), il tipo di fabbricazione additiva dei metalli più comune, resa possibile dal laser o dai fasci di elettroni, una soluzione che offre un’elevata complessità, precisione e riutilizzo dei materiali. In secondo luogo, la Direct Energy Deposition (DEC o DMD). Si tratta di una soluzione basata sui materiali sottoforma di polvere o filo, che offre elevata produttività, parti grandi e costi ridotti dei materiali.
La tecnica del Powder Binding (BD) implica lo spruzzo di un legante su uno strato di metallo in polvere per formare una “parte verde” e in genere offre costi ridotti di macchinari e operazioni, oltre alla capacità di ottenere un’elevata produttività.
Infine, la tecnica del Metal Jetting (MJ) implica la deposizione di gocce contenenti nanoparticelle in metallo da parte delle testine di stampa a getto di inchiostro e garantisce la produzione di parti di elevata qualità.
Tuttavia, oggi, tutte le tecnologie di fabbricazione additiva dei metalli presenti sul mercato presentano degli inconvenienti, che continuano a pesare sulla loro adozione. Il costo della maggior parte, se non di tutte le tecnologie citate in precedenza, è incredibilmente alto, a partire dal costo di acquisto fino ad arrivare al costo per parte. Le tecnologie correnti richiedono manutenzione eccessiva e l’uso di un ambiente inerte (basato sull’azoto). Inoltre, le fasi di pre e post-lavorazione possono essere incredibilmente complesse.
Nella fase di pre-lavorazione, gli utenti devono combattere con processi ad alte temperature, necessari durante la sinterizzazione a laser.
Nella post-lavorazione, invece, spesso è necessaria un’eccessiva lavorazione a macchina per rimuovere l’ancoraggio e le strutture interne.
Oggi, il tempo necessario per la post-lavorazione può essere uguale al tempo di stampa, per cui il tempo richiesto per ottenere la parte finale spesso è raddoppiato (ciò vuol dire che 40 ore per vassoio possono diventare 80 per ottenere le parti finali dopo la lavorazione a macchina). Vi sono, inoltre, dei rischi di sicurezza aggiuntivi da prendere in considerazione; le polveri di metallo spesso sono a rischio di esplosione e si incendiano facilmente, mentre laser o fasci di elettroni aggiungono ulteriori rischi per la sicurezza.

La tecnologia di getto dei metalli unita alla metallurgia delle polveri
In parole povere, i limiti e i rischi della tecnologia al momento stanno escludendo il passaggio dell’industria all’uso della fabbricazione additiva per la produzione vera e propria.
Eppure la tecnologia Layered Powder Metallurgy™, annunciata di recente, potrebbe essere la chiave giusta per superare molti di questi problemi.
Sviluppata internamente negli ultimi anni, questa soluzione combina la tecnologia di getto dei metalli proprietaria di Stratasys e la metallurgia delle polveri usata comunemente, offrendo polveri di alluminio e altre leghe che verranno realizzate in futuro.
La soluzione LPM include un processo di fabbricazione additiva in tre passaggi.
Il processo prevede la stampa di margini con inchiostro termico proprietario, erogazione e diffusione della polvere e, infine, compattazione dello strato di polvere per ottenere alta densità e restringimento controllabile.
Il risultato finale è destinato a essere economicamente competitivo rispetto al costo per parte e alla produttività, con post-elaborazione facile da implementare e qualità delle parti elevata. I test svolti internamente da Stratasys e dai suoi partner OEM hanno rivelato che la tecnologia LPM assicura una riduzione fino all’80% del costo per parte rispetto ad altre tecnologie di fabbricazione additiva dei metalli disponibili oggi sul mercato. Inoltre, i complessi processi di pre e post-lavorazione vengono eliminati grazie alla riduzione delle operazioni di rimozione dei supporti da ore a pochi minuti e alla riduzione di 10 volte del tempo richiesto dal processo, dalla stampa alla parte finita, rispetto alle soluzioni esistenti di fabbricazione additiva con metalli.
Tali vantaggi si realizzano grazie all’adozione tempestiva da parte di partner OEM all’avanguardia nei rispettivi settori, con applicazioni dalla prototipazione funzionale e la fabbricazione in scala ridotta in ambiti come l’aerospaziale, l’automotive e il comparto industriale, con un potenziale anche nel settore della difesa.
In ultima istanza, il mercato della fabbricazione additiva in metallo è quasi pronto per la produzione vera e propria. Oggi, dal momento che gli ostacoli sono stati gradualmente superati, i produttori possono iniziare a sfruttare questa tecnologia come un’alternativa realmente possibile alla lavorazione dei metalli tradizionale.

QUALIFICA AUTORE
Andreas Langfeld è Presidente di Stratasys EMEA.