Produzione additiva in metallo in chiave moderna: non facciamo con…fusione!

La produzione additiva in metallo è un processo che rende possibile la creazione di forme un tempo irrealizzabili: molti industriali si dicono entusiasti, ma quanti se ne stanno realmente occupando?

Escludendo alcuni che l’hanno adottata fino dagli esordi, molti produttori industriali stanno semplicemente aspettando e guardando passivamente per capire se e quando la tecnologia della produzione additiva sarà matura. E voi potreste essere uno di loro. A dire il vero, sono molti i motivi per cui i produttori restano ancorati alle tecniche tradizionali di produzione, come la fusione metallica, piuttosto che tuffarsi alla scoperta della produzione additiva in metallo.

Per prima cosa, sono meno di una dozzina i materiali largamente disponibili per l’uso nella produzione additiva metallica, mentre la fusione può impiegare centinaia di leghe metalliche differenti: tra l’altro, è davvero facile usare nuovi materiali personalizzati, anche per una piccola parte in un grosso progetto. Secondo, la fusione funziona anche su parti enormi, mentre con le stampanti per metalli ci si deve limitare a oggetti delle dimensioni di una scatola per scarpe o anche più piccoli. I costi e il tempo sono il terzo fattore: le macchine per sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS) sono molto costose e richiedono molte fasi di post-lavorazione, che solitamente comprendono una pressatura isostatica a caldo e la rimozione delle strutture di supporto dal piano di stampa.

Infine, la fusione è un processo ben compreso e ben definito, già utilizzato da millenni: non c’è bisogno di certificare nuovamente il processo, cosa che porterebbe via molto tempo e molte risorse.

Fortunatamente, il fatto di fare affidamento sulla fusione non deve limitare i costruttori dall’usare le geometrie avanzate del design generativo, o dall’iniziare a cimentarsi con la produzione additiva. Infatti, le tecniche moderne di fusione metallica possono aprire la strada per arrivare a queste tecnologie.

A differenza dei tipici processi di stampa metallica in 3D, in cui forma e materiale sono definiti di pari passo, la fusione metallica separa la definizione della forma e dei materiali in due fasi distinte.

Produrre partendo da questa idea porta i benefici di una tecnologia tripla: l’uso del design generativo e dell’ottimizzazione digitale possono generare geometrie ad alte prestazioni provenienti dal mondo dei computer; la produzione additiva non-metallica porta una data forma nello spazio fisico, ad esempio con uno stampo; e i metodi di fusione moderni finalizzano quella forma usando il metallo giusto per quel tipo di lavoro.

Questo approccio fornisce ai produttori industriali un punto di ingresso sia per il design generativo che per la produzione additiva, fattori che la faranno sempre più da padroni in futuro. Nell‘immediato, i produttori possono trarre beneficio dal fondere pezzi metallici in stampi prodotti in 3D, con forme prima impraticabili.

Un tale processo può (e in alcuni casi lo sta già facendo) portare benefici nelle attività dove occorre restare leggeri, come l’industria automobilistica e quella aerospaziale. È anche fenomenale per creare oggetti su misura, come le protesi per l‘anca o il ginocchio prodotte dalle aziende di protesi mediche.

Come esempio di questa tripla tecnologia, all’inizio di quest’anno io e un collega di Autodesk abbiamo costruito un sedile per aerei ultraleggeri usando l’ottimizzazione dei reticoli, la stampa 3D e la fusione a cera persa. Abbiamo scelto di realizzare l’ossatura del sedile in magnesio perché pesa il 35 percento in meno dell’alluminio usato convenzionalmente per le ossature dei sedili e, a parità di peso, è più resistente. Le attuali stampanti additive per metalli non stampano con il magnesio, perciò ci siamo rivolti a una delle fonderie del Nord America che lavorano con questo materiale, la Aristo Cast in Michigan. Il team Aristo Cast ha stampato l’ossatura del sedile in plastica, realizzato l‘anima, coperto l‘anima con ceramica, fuso la plastica e versato il magnesio nello stampo di ceramica per ottenere l’ossatura finale del sedile.

Grazie ai materiali e al design reticolare, la struttura del sedile risultante pesa il 56% in meno degli attuali modelli tipici. Questa riduzione di peso può far risparmiare più di 80.000 euro di carburante l’anno per far volare un Airbus A380 con 615 posti, oppure oltre 160 milioni di euro nei 20 anni di vita di una flotta di cento A380. Tutto ciò si tradurrebbe anche in una riduzione dell’impronta di carbonio, con oltre 140.000 tonnellate in meno di carbonio emesse nell‘atmosfera.

È vero che molte fonderie non vogliono aver niente a che fare con forme troppo anomale o troppo complicate, perché la produzione – più che il poco remunerativo lavoro di prototipazione – è quello che mantiene in vita le loro aziende. Aristo Cast, invece, usa con lungimiranza la tecnologia di stampa 3D da almeno 20 anni, testando ogni nuova tecnologia disponibile.

Scacciando il mito della fusione secondo il quale bisogna aspettare 18 mesi per avere i pezzi, Aristo Cast può produrre i pezzi in appena due giorni – in molti casi un processo ancora più rapido della stampa metallica. Aristo Cast è specializzata nella fusione a cera persa, nella quale si realizza l’oggetto desiderato in un materiale e in seguito, attraverso un processo di stampaggio sacrificale, si ottiene l’oggetto finale nel materiale scelto. La fusione a cera persa può produrre i dettagli con una fedeltà estremamente elevata, anche inferiore al millimetro: se lasci un’impronta digitale sulla tua anima, quell’impronta comparirà sul tuo pezzo finale.

Un’altra tecnologia di fusione, la colata in sabbia, produce pezzi metallici partendo da stampi in sabbia, che possono essere stampati in 3D. La colata in sabbia non produce dettagli così fini, ma può realizzare pezzi molto più grandi rispetto alla produzione additiva in metallo e a cera persa: pezzi che possono pesare anche decine di migliaia di chili e misurare decine di metri.

Molte fonderie si stanno rendendo conto che, per grandi quantità, la produzione additiva è più economica rispetto alla lavorazione di geometrie complesse con utensili, in particolare per la colata in sabbia. Ma alla fine della fiera, una volta che l’industria avrà promosso l’uso della produzione additiva in quanto tale, questa, per essere largamente adottata, dovrà essere più economica o fornire in qualche modo un maggior valore rispetto alle tecnologie di produzione tradizionali.

Facendo un passo avanti per rendere tutto ciò una realtà, 3D Hubs ha appena lanciato un servizio che rende davvero facile ottenere pezzi in metallo in modo rapido ed economico, combinando la produzione additiva e la fusione metallica. 3D Hubs gestisce l’intero processo di realizzazione dello stampo, del suo trasferimento in fonderia e di ottenimento della fusione. Si tratta di una stampa su stampanti FDM basate sull’estrusione, ma con un materiale sviluppato specificamente per il processo di fusione, che può essere levigato a vapore per eliminare le righe degli strati (un problema persistente).

I servizi come 3D Hubs sono una buona opportunità per introdurre gli ingegneri progettisti alla progettazione per la produzione additiva. Che si tratti di sperimentazione con altri o di sperimentazione in proprio, la cosa importante è provarci con la tecnologia. Con la fusione, i vantaggi della produzione additiva, del design generativo e dell’ottimizzazione delle forme sono tutti a portata di mano.