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La produzione di “metalli viventi” con la tecnologia Cold Spray è da fantascienza

cold spray technology terraforma

La promessa della produzione additiva in metallo non si è rivelata all’altezza del clamore iniziale. I costi sono ancora elevati e la tecnologia rimane più adatta alla fabbricazione di componenti di volume ridotto ed elevata complessità. In sintesi, la svolta tanto attesa per la produzione industriale non è arrivata, perciò l’impiego di un motore a razzo per spruzzare e legare particelle di metallo su parti esistenti di macchinari potrebbe sembrare un po’ eccessivo.

Un trio della Bay Area con un’idea di start-up unica nel suo genere potrebbe cambiare tutto. I co-fondatori, tutti ingegneri, Deepak Atyam, Alex Finch e Jesse Lang della Tri-D Dynamics hanno sviluppato quella che loro chiamano “fusione metallica a freddo”, una combinazione tra metallurgia a base di polveri e scienza missilistica che forse è in procinto di aprire un mercato non sfruttato.

La Tri-D Dynamics sta sviluppando un metodo per incorporare sensori elettronici all’interno di componenti meccanici in metallo, rafforzandoli e proteggendoli da ambiente ostile mediante spruzzatura di materiale ottimale per prevenire danni. O, come dice Finch, “Siamo in grado di proteggere l’elettronica con un metallo più resistente del metallo del componente stesso, ottenendo maggiori prestazioni a un costo inferiore”. La perfetta integrazione dell’hardware strutturale con l’elettronica necessaria per attivarli rende i componenti “intelligenti”.

cold spray technology metal fusion
La Tri-D Dynamics ha denominato “fusione metallica a freddo” la sua tecnologia di spruzzatura, che combina metallurgia a base di polveri e scienza missilistica. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.

Ci sono riusciti grazie a quella che essi chiamano “produzione additiva aumentata”, costruendo un metallo sopra l’altro e migliorando le capacità complessive del componente meccanico. L’impiego della fusione metallica a freddo significa che il metallo non ha bisogno di essere fuso per essere applicato: in questo modo si evitano i danni da riscaldamento ai componenti interni sensibili quali sono quelli elettronici. L’intero processo inoltre è molto più veloce. In buona sostanza, Finch e Atyam stanno contribuendo alla realizzazione dell’infrastruttura dell’Internet delle cose, incorporando sensori che riportano le prestazioni delle parti in tempo reale. Cavi, sensori e chip vengono protetti all’interno degli spazi delle canaline mediante la fusione a freddo di altri metalli per coprirli, posizionarli e proteggerli.

La macchina di Tri-D, la TerraForma, utilizza azoto riscaldato per proiettare la polvere di metallo attraverso un ugello con un piccolo motore a razzo, che accelera la polvere e la spruzza a velocità supersoniche direttamente sul substrato. Essa si lega immediatamente e senza dover essere riscaldata o fusa per la formatura. E il processo è esponenzialmente scalabile: potrebbe essere aumentato fino alle navi portacontainer, ai grattacieli, alle gru dei cantieri navali e altro ancora.

Per molto tempo, l’uomo ha costruito macchinari per lavorare nelle miniere, coperti dalla polvere, nelle profondità del mare, consumati dalla corrosione salina e dalle temperature glaciali, e nello spazio, bombardati dalle radiazioni. In questi luoghi i guasti e le avarie possono essere molto costosi (se non pericolosi), mentre l’uso intelligente delle attrezzature, informato dai dati, può preventivamente risparmiare molti problemi.

“Per ridurre il costo delle operazioni, devo tenere presente che ciò che incide maggiormente è la rottura e la sostituzione degli strumenti”, dice Finch. “Con molta probabilità questi sono progettati per funzionare solo a una certa temperatura per un certo periodo di tempo. Se non conosco la temperatura del pezzo e il suo ambiente, non so se mi sto avvicinando al punto di rottura o meno”.

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L’aspetto finale di un sensore incorporato con fusione metallica a freddo. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.

Ricerca di soluzioni di prossima generazione

Nella sua tesi di laurea, Finch aveva trattato i materiali da produzione additiva, mentre Atyam e Lang provenivano dal mondo dell’ingegneria aerospaziale. Dopo l’iscrizione alla University of California di San Diego, Atyam e Finch hanno formato il primo team universitario a realizzare l’impresa “impossibile” di un test di volo e del motore di un razzo stampato in 3D, attirando l’attenzione della comunità aerospaziale, quando ci sono riusciti.

Finch e Atyam si sono poi buttati a capofitto nel mondo delle start up, destreggiandosi tra capitali, business plan e analisi di mercato. Il mercato aerospaziale sul quale avevano puntato non dava i risultati sperati, ma si erano subito resi conto del potenziale della produzione additiva aumentata: motori a razzo in grado di costruire oggetti su oggetti spruzzando polvere di metallo ad alta velocità.

Ora Tri-D fa parte del programma di residenza presso l’Autodesk Technology Center di San Francisco, dove Atyam (CEO), Finch (presidente) e Lang (vice presidente operativo) hanno avuto l’opportunità di ripetere e raccogliere rapidamente i dati necessari per costruire le migliori macchine possibili.

I fondatori della Tri-D Dynamics (da sinistra a destra) Deepak Atyam, Alex Finch e Jesse Lang durante una pausa dal lavoro. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.
 
Il gas proveniente da un serbatoio entra nella TerraForma, dove viene riscaldato per spingere i metalli in polvere attraverso l'ugello. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.
 
I metalli in polvere sono vietati all'Autodesk Technology Center di San Francisco, quindi Tri-D si è trasferita in una struttura nella vicina San Mateo, in California, dove aveva più spazio per lavorare. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.
 
La tecnologia di Tri-D si distingue, in parte, in quanto il metallo non deve essere riscaldato fino al punto di fusione per aderire a una superficie. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.
 
TerraForma pronto per la spruzzatura. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.

“Stiamo cercando di integrare nei sistemi meccanici le capacità di percezione: i nervi, la capacità di toccare e sentire e di rispondere”, spiega Atyam. “Come si fa a sapere cosa sta provando il robot o il componente? Come si fa a sapere cosa prova la punta del trapano? Se si può fare in modo che il sistema nervoso di ciascuno di questi sensori dica al cervello cosa sta succedendo, è possibile adattarsi alla condizione con precisione”. Si spinge ancora più in là, chiamandolo il principio dei “metalli viventi”.

Il futuro non si scioglie

Si inizia con i serbatoi di un gas (attualmente azoto) e una fornitura di polvere metallica. Essi vengono immessi nelle relative camere di TerraForma, dove il gas viene riscaldato, forzando le particelle di polvere ad alta velocità attraverso un’apertura.

“Non è necessario arrivare alla temperatura di fusione come avviene in molte tecnologie di fabbricazione generale e additiva di metalli”, continua Atyam. “Non si deve fare altro che sparare la polvere a una velocità talmente elevata che si deforma, si appiattisce come un pancake e aderisce al substrato. Sono la duttilità e l’elasticità delle particelle metalliche piuttosto che il loro punto di fusione che conta”.

Lavorare con metalli più duri richiede un aumento della velocità di spruzzatura per ottenere l’effetto pancake. Una temperatura del gas più alta, per una pressione più alta e una spruzzatura più veloce, è l’unica variazione di costo reale. Ogni strato di materiale spruzzato preme e compatta lo strato sottostante, ottenendo così un materiale molto denso e resistente.

È un processo scalabile anche verso il basso, utilizzabile teoricamente in un meccanismo portatile. Simile nell’uso alla elettroplaccatura, ma molto più veloce, non si hanno sottoprodotti tossici o temperature estreme. Con un raffreddamento trascurabile, è pronto all’istante, senza i difetti di riscaldamento e raffreddamento che hanno afflitto i metalli lavorati per centinaia di anni.

Disponendo di maggiori risorse, Atyam pensa che la lavorabilità (e il prezzo) possa diminuire. Attualmente, il gas viene fornito in serbatoi da un distributore commerciale, con un costo che potrebbe essere ottimizzato con la consegna del gas direttamente nel sistema. Il team di Tri-D è inoltre passato all’azoto dalle precedenti iterazioni che utilizzavano l’elio, riducendo i costi di un decimo. “I costi sono determinati dal materiale”, dice Atyam. “I metalli più duri come i carburi sono più costosi perché bisogna spararli più velocemente, usando quindi più gas e calore”.

Il cielo è il limite

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I sensori incorporati possono inviare una varietà di dati, come la temperatura e altre condizioni ambientali. Per gentile concessione di Tri-D Dynamics.

Qual è il futuro della produzione additiva con motori a razzo? La Tri-D Dynamics fornirà componenti in tutti i settori industriali?

“Incorporiamo i sensori nel metallo per proteggerli, che è la cosa migliore per le industrie che operano in ambienti difficili”, dice Atyam. “Questo è un punto di partenza. Dopodiché, vogliamo realizzare sensori migliori e più adatti al processo. Auspichiamo di realizzare componenti effettivamente dotati di una rete sensoriale completa con la possibilità di controllarli”.

I tre co-fondatori di Tri-D sono anche grandi sostenitori delle smart city, e poiché la collocazione di sensori dappertutto – strade, edifici, automobili, treni – creerà una nuova ed enorme serie di dati, sarà fondamentale essere all’avanguardia nel settore della tecnologia intelligente.

La costruzione di sensori e di tecnologia di trasmissione dati in componenti di metallo duro è nata da un bisogno che Tri-D Dynamics ha sfruttato in modo organico; clienti e ricerca hanno guidato la tecnologia. “Stiamo cercando di riportare i dati critici in tempo reale dall’infrastruttura agli operatori”, dice Atyam. “L’idea è quella di ottimizzare sistemi enormi e, se possibile, ridurre lo spreco di tempo, denaro e risorse ambientali”.

E con l’enorme produzione di energia, l’aviazione e i sistemi urbani, tutti bisognosi di essere ottimizzati per ridurre i costi, risparmiare tempo e creare un minore impatto ambientale, non c’è momento migliore per plasmare il futuro spruzzando particelle metalliche attraverso un razzo.

Informazioni sull'autore

Dopo essere cresciuto con la consapevolezza di voler cambiare il mondo, Drew Turney ha capito che invece era più semplice parlare di persone capaci di farlo. Drew Turney è un autore che scrive di tecnologia, cinema, scienza, libri e altro ancora. Il presente articolo è tratto da Redshift, il sito Autodesk creato per ispirare progettisti, ingegneri, costruttori e maker.

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