L’esplosione di una sempre maggiore offerta di tecnologie e sistemi per la produzione industriale basata su processi additivi è una rivoluzione epocale nel mondo dell’industria manifatturiera. Quali le potenzialità, le opportunità, le criticità, i limiti e le possibili evoluzioni della manifattura additiva? Intervista a Paolo Bariani, responsabile del Laboratorio TE.SI.
di Piero Macrì
Paolo Bariani, professore di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione presso l’Università di Padova e Responsabile del TE.SI.
Rovigo, Polesine, terra e acqua, una piccola mesopotamia compresa tra l’Adige e il Po. Negli ex magazzini parti di ricambio e officina manutenzione di Eridania esiste da dieci anni il laboratorio sperimentale TE.SI., centro di eccellenza mondiale nell’ambito dell’ingegneria di precisione. “Siamo arrivati qui nel 2009”, racconta Paolo Bariani, professore di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione presso l’Università di Padova e artefice del progetto. “Ci siamo insediati come dei veri e propri coloni, stabilendo in questa geografia d’Italia quello che sarebbe poi diventato il nostro ecosistema di fabbrica digitale”.
La proprietà dello stabile è del Censer – centro servizi gestito da un consorzio che vede coinvolti enti territoriali e fondazione Cassa di Risparmio di Padova e Rovigo. In questi dieci anni sono stati investiti circa 12 milioni di euro. Soldi che sono stati spesi primariamente in apparecchiature, infrastruttura e impianti tecnici. “Non un euro viene dall’università, tiene a precisare Bariani. Due terzi dei proventi sono stati generati da contratti con privati mentre il resto deriva da finanziamenti della fondazione”.
Di che si occupa il Laboratorio? Di quella che viene comunemente definita Precision Engineering ovvero lavorazione e progettazione di componenti meccanici complessi realizzati con materiali i più diversi, metallici, polimerici e ceramici. Attività che si avvalgono dei più innovativi e avanzati sistemi di manifattura – additiva e sottrattiva – e che si ispira a un modello di collaborative manufacturing o produzione integrata. L’obiettivo è riuscire a individuare nuove tecniche di produzione che permettano di valorizzare l’additive manufacturing, ricercando costantemente modalità e approcci ingegneristici innovativi. Come dice Bariani, “osare dove altri non hanno ancora osato”.
Le Nuove Frontiere della Manifattura Additiva | 20 GIUGNO 2018
L’evento di NewsImpresa dedicato a stampa 3D e manifattura additiva presso il Laboratorio TE.SI.
OBIETTIVO – Permettere alle aziende e ai professionisti del settore di confrontarsi con esperti della progettazione ingegneristica e acquisire le conoscenze ed esperienze maturate nel Centro di Eccellenza del TE.SI., individuando nuove tecniche e metodologie di produzione ingegneristica/industriale così come innovativi modelli di business.
Una vista del Laboratorio TE.SI.
Limiti e vincoli operativi
La manifattura additiva è una frontiera tecnologica che, nonostante evidenzi straordinarie opportunità, deve confrontarsi con una serie di limiti e vincoli operativi. “Le sfide aperte sono ancora molte, dice Bariani, e di non semplice soluzione. Per superarle serve un impegno comune su più fronti e su più dimensioni, progettuali e industriali. Non voglio dire che siamo solo all’inizio, l’additive manufacturing nasce da un percorso iniziato negli anni ottanta. Quel che è certo è che la situazione è ben diversa da quella che traspare dai tanti articoli che sono stati scritti sulla stampa 3D, termine che nell’immaginario collettivo rappresenta l’alter ego della produzione additiva”.
Per Bariani il più grande vantaggio dell’additive risiede sia nella libertà assoluta con cui si può agire sia in termini di forma e geometria del componente da realizzare sia nelle infinite possibilità di progettazione. Tuttavia, per sfruttare a pieno queste opportunità vi sono sfide che devono essere ancora vinte, sfide con le quali si confrontano quotidianamente tutti coloro che sono coinvolti nella creazione ed evoluzione di questo mercato. Quali? Innanzitutto i materiali, nel senso che la gamma disponibile, pur in presenza di una straordinaria dinamica evolutiva, è ancora limitata. Altro aspetto, non meno importante, è la produttività: “Ci confrontiamo con sistemi e tecnologie lente che si rivelano poco competitive con le tecnologie tradizionali. Quando si dice che le tecnologie di tipo additivo stanno scalzando le vecchie tecnologie si afferma il falso”. Infine, terza e grande sfida, che riguarda soprattutto le polveri metalliche, è quella dell’integrità strutturale, cioè di resistenza a fatica, importante soprattutto in alcuni settori, l’aeronautico in primis. Una sfida, quest’ultima, ancora del tutto aperta, dove come afferma Bariani, “c’è ancora tanto da fare sia dal punto di vista scientifico che tecnologico”
L’area di lavoro a tecnologia FDM con stampanti Stratasys
Integrità strutturale
“Ci sono grosse bugie in giro sulla stampa additiva. E’ vero, la complessità geometrica, la possibilità di aggregare, entro certe dimensioni, più componenti è la prerogativa più importante delle tecnologie additive, ma se andiamo a vedere le caratteristiche di resistenza, non tanto statica e quindi su carichi non variabili nel tempo, ma soprattutto a fatica, quindi ciclica, come può essere il caso delle parti impiegate su un aereo, automobile o altro, ci accorgiamo che la tecnologia additiva è parecchio indietro rispetto a quella tradizionale: lo stesso pezzo realizzato con l’una o l’altra tecnologia risulta più resistente se prodotto in modalità sottrattiva”.
A questo proposito Bariani cita l’esempio di General Electric che nel torinese produce palette per turbine aeronautiche e altri componenti. “Hanno investito centinaia di milioni, forse un miliardo, per poter disporre di una batteria di macchine di additive manufacturing. Ebbene ciò che si vede nelle presentazioni non corrisponde a verità, nel senso che hanno una percentuale di scarti notevole proprio per un discorso di affidabità/integrità di tipo strutturale, cosa che verifichiamo ogni giorno in laboratorio”.
Quando si utilizzano leghe di titanio o leghe di alluminio, è il caso di manufatti aeronautuci, ci si scontra spesso con problemi microstrutturali, in conseguenza del fatto che il laser agisce per fusione. Quando si parla di processi con sinterizzazione laser parliamo, quindi, di strutture che si creano per fusione e non per stampaggio; come tali possono perciò evidenziare microcavità o nanocavità che possono innescare fratture. E’ un tipo di fragilità che può essere superata e contrastata con particolari trattamenti termici, ma solo parzialmente. “Il magnesio, per esempio, è una lega splendida, perché leggerissima, ma oggi c’è solo qualche centro universitario che comincia a fare additive manufacturing con leghe di magnesio. La soluzione sarebbe avere una macchina, ad esempio un centro di lavoro basato su tornio a controllo numerico, che possa eseguire lavorazioni di tipo sottrattivo – quali forature e fresature – e al tempo stesso lavorazioni di tipo additivo”.
Nel laboratorio Te.Si. sono presenti le principali tecnologie di AM per materiali metallici, la Selective Laser Melting, SLM, e Direct Metal Deposition, DMD
Integrazione ibrida
L’obiettivo cui tendere è avere un magazzino utensili dentro la macchina a controllo numerico, gestito in maniera automatica, che possa prevedere la presenza di utensili di asportazione insieme a utensili di deposizione. Un qualcosa, quindi, che possa eseguire una produzione ibrida sullo stesso pezzo integrando tecnologie diverse, di tipo additivo e di tipo sottrattivo. “Ci sono già dei progetti europei in corso e a uno di questi partecipa anche il TE.SI. E’ una sfida sostanzialmente aperta. Una società tedesca ha già presentato macchine di questo tipo, ma non sono ancora pienamente affidabili. (ottimi prototipi, ma niente di più). Ci sono una serie di problemi di carattere tecnologico non indifferenti che attualmente non sono ancora stati risolti, anche nei prototipi che sono stati presentati”.
Quali sono le discriminanti nell’utilizzo dell’una o l’altra tecnologia? In quale modo è possibile orientare l’utente? “Non esiste ancora un sistema valido, di tipo algoritmico, che consenta di assistere una persona nel decidere quale processo – additivo o sottrattivo – sia preferibile nella realizzazione di un certo componente. E’ un tema oggetto di ricerca sul quale siamo impegnati in prima persona. Se si deve fare un prodotto – una staffa, un supporto o altro – lo si sviluppa tradizionalmente per fresatura o altre lavorazioni convenzionali che lavorano per asportazione di truciolo. Eppure, può essere che sia più conveniente procedere per via additiva”.
“Se proprio vogliamo individuare la ragione prima che può indirizzare la scelta, questa è senza ombra di dubbio la forma. Una biella tessile realizzata in struttura trabecolare si può realizzare solo ed esclusivamente in additive. Non solo, producendo in additive posso pensare di utilizzare un materiale molto meno costoso, non più una lega di titanio, ma, in virtù della quota di alleggerimento che permette di introdurre la geometria additiva, orientarmi verso materiali più tradizionali ed economici come l’acciaio. La scelta, come si vede, rivoluziona la scelta dei materiali”.
Tuttavia, come emerge dalla discussione con Bariani, anche quest’ultima libertà ha i suoi limiti, che derivano innanzitutto dai vincoli imposti dal costruttore della macchina, che permette di utilizzare solo certi materiali e non altri, e obbliga a rispettare parametri di produzione specifici. “Quando oggi si investe in una macchina additiva occorre essere consapevoli che quella stessa macchina non potrà lavorare materiali che, considerata la velocità cui si muove il mercato, verranno resi disponibili a breve sul mercato”. L’investimento deve quindi essere frutto di un’analisi molto attenta a quelli che sono gli obiettivi e i ritorni di investimento, su quali ipotesi di produzione conto di ammortizzare il costo della macchina e su quale scala temporale. Lo scenario di mercato è molto articolato e i criteri che devono sottostare gli investimenti devono essere valutati con estrema accuratezza.
Selective Laser Melting, SLM, con il sistema MySint 100 prodotto da Sisma
Ottimizzazione dei processi
Ma attenzione, progettare in additivo significa progettare in modo completamente diverso in quanto, se si vogliono raggiungere vantaggi tangibili si deve concepire una geometria che valorizzi le capacità della nuova tecnologia di produzione. In questo senso è di importanza fondamentale l’ottimizzazione topologica che permette di individuare la geometria in modo tale da mettere il materiale solo là dove serve, solo là dove lavora bene. “Solo in questo modo posso avere delle strutture che sono più snelle e quasi impossibili da realizzere con le tecnologie sottrattive. Ed è solo la tecnologia additiva, o quasi, che mi consente di realizzarle. Vale sempre e comunque la regola – purtroppo spesso violata, anche nell’industria avanzata – che quando si cambia tecnologia di produzione è opportuno cambiare anche la geometria del componente”.
“Il progettista – continua Bariani – è naturalmente e fisiologicamente portato a concepire nuovi prodotti sulla base della propria esperienza. Quest’ultima è comunque e sempre un condizionamento, che può essere sì positivo – reitero un’esperienza positiva ergo concepisco prodotti positivi – ma può rivelarsi un fattore negativo se applicata tout court alla tecnologia additiva, poiché quest’ultima rompe definitivamente con le regole tradizionali. O la riesco a valorizzare nella sua interezza oppure mi ritroverò ad aver prodotto un qualcosa che non ha nessuna ragione valida ad essere stato concepito in logica additiva”.
Siamo immersi in uno scenario ad alta discontinuità. Non è per nulla sorprendente, quindi, accorgersi che anche gli strumenti di progettazione tradizionali siano entrati in crisi. “Sfido chiunque abbia una notevole esperienza in modellazione geometrica con un CAD evoluto a modellare una biella in geometria additiva o progettare una ruota dentata alleggerita con una struttura alveolare all’interno. Certo, tutto è possibile, ma un certo risultato lo si può ottenere soltanto utilizzando lo strumento nativamente concepito per soddisfare quella necessità”
Per Bariani il 99% del software in circolazione, anche quando si parla di sistemi 3D avanzati, sono nell’impossibilità di valorizzare appieno le tipologie di additive manufacturing. Stanno facendo la fortuna nomi come Materialise, Magics, Reinishaw, Netfab, strumenti agili e user friendly che vanno ad accentuare l’immediatezza di progettazione, di ottimizzazione topologica e di analisi permettendo all’utilizzatore di avere rapidamente un’idea iniziale del design che si andrà poi a realizzare.
Creazione di oggetti in polimero con la Connex3 Objet350 Stratasys fornita da Prismatech
Strutturazione della produzione
A parte la concezione del pezzo e quindi la possibilità di avere gli strumenti idoenei per modellare geometricamente un componente che valorizzi l’additive manufacturing, c’è anche infine tutta la complessità che riguarda la strutturazione del processo di produzione, che è completamente nuova. “Se con le macchine che lavorano per asportazione di truciolo – torni, frese o combinazioni di queste – si ha la disponibilità di sistemi software di tipo CAM, che permettono di generare percorsi ottimali di produzione, nell’additive manufacturing i problemi di progettazione del processo – quali la scelta dell’assetto del componente e del volume di lavoro – devono essere risolti manualmente. Ho poi il problema dei supporti, perché il pezzo non è che se ne sta sospeso nella polvere. Non da ultimo, la scelta dei parametri del laser, la densità di energia, la velocità… E’ un mondo nuovo che è ancora appannaggio di pochissimi specialisti. Anche in questo contesto – conclude Bariani – vediamo come l’additive si pone come tecnologia disruptive, creando discontinuità con le competenze pregresse”.
In definitiva, dall’Esperienza del TE.SI. e dall’intervista a Bariani emerge come le sfide, i limiti e i vincoli della stampa additiva – riferibili a scarsità di materiali, produttività, fragilità strutturale e complessità di progettazione e produzione – si caratterizzino per essere primariamente sfide tecnologiche e come tali possano verosimilmente essere risolte nel tempo. In un futuro prossimo tutto ciò contribuirà a raggiungere un diverso equilibrio nelle tecnologie di produzione dando vita a uno scenario ibrido – sottrattivo e additivo – dove elementi e componenti di derivazione diversa daranno l’opportunità di indirizzare al meglio molteplici esigenze produttive. Una cosa appare altamente probabile: l’una e l’altra logica tenderanno a essere complementari.
