Un supporto radar destinato a un drone che, a parità di prestazioni, pesa il 60% in meno.
Un intero motore per aereo riprogettato passando da 830 componenti a 13.
Sistemi in grado di monitorare la riuscita ottimale dei pezzi nel corso del processo stesso di produzione, abbattendo drasticamente la quota di prodotti scartati.

Sono solo alcuni esempi dei progressi possibili grazie alla manifattura additiva: nota anche come stampa 3D.

Ma dimentichiamo le stampanti 3D usate per realizzare oggettini di plastica divertenti. Nata dalla stampa tridimensionale per la creazione di prototipi, oggi la manifattura additiva è una tecnologia sofisticata e in rapido sviluppo, sempre più utilizzata nei sistemi di produzione industriale: come suggerisce il nome, è una tecnica di produzione che si basa sull’aggiungere materia, invece che sottrarla, per ottenere oggetti con le geometrie desiderate.

In questo campo di ricerca il Politecnico di Torino è all’avanguardia, a partire dal Centro interdipartimentale IAM@PoliTO (Integrate Additive Manifacturing Center). Come spiega Luca Iuliano, docente del Dipartimento di Ingegneria gestionale e della produzione (DIGEP), che ne è il coordinatore: “Lo IAM@PoliTO è uno dei pochi centri di ricerca in Europa dove è seguito e studiato a 360° il processo della manifattura additiva, dal foglio bianco al collaudo: progettazione, ricerca sui materiali, soluzioni tecniche applicabili, monitoraggio durante la produzione: seguiamo tutto, fino al collaudo dei prodotti realizzato con tomografia industriale”. Il trasferimento tecnologico è mediato dal Competence Center CIM 4.0, che si occupa di far maturare i proof of concept sviluppati allo IAM verso la produzione.

Si tratta di un ambito fortemente multidisciplinare: oltre che Iuliano abbiamo incontrato Paolo Fino, docente del Dipartimento Scienza applicata e tecnologia (DISAT); e Federica Bondioli, docente del DISAT e responsabile dello Spoke 6 (Additive Manufacturing) nel Partenariato Esteso MICS - Made in Italy circolare e sostenibile, finanziato dal MUR nell'ambito del PNRR, con fondi Next Generation EU.

Digitale, connessa e sostenibile: sono le parole d’ordine dell’industria del futuro, come si sta evolvendo sotto i nostri occhi. L'Industria 4.0 – la quarta rivoluzione industriale – segna il passaggio verso tecniche di produzione sempre più intelligenti, grazie all'integrazione di tecnologie digitali avanzate. Parliamo di Internet Of Things (IOT), apparecchi in grado di connettersi a Internet per scambiare dati con altri dispositivi e sistemi; di intelligenza artificiale; di digital twin, gemelli digitali in grado di riprodurre in forma digitale apparecchi complessi, per esempio per consentirne il controllo a distanza; di sistemi cyber-fisici (CPS) per il monitoraggio e l’adeguamento in tempo reale dei sistemi di produzione: tutte tecnologie che convergono verso un’industria altamente automatizzata, in cui l’interconnessione tra macchine, operatori e sistemi consente un flusso continuo di informazioni, permettendo di ottimizzare i processi produttivi.

In questo panorama, la manifattura additiva si inserisce con un ruolo di primo piano: consentendo la produzione di oggetti a partire da modelli digitali, creati strato dopo strato, ed eliminando così i tradizionali processi di asportazione di materiale, riduce notevolmente gli scarti e ottimizza l'uso dei materiali, contribuendo alla sostenibilità.

Come spiega Iuliano: “Sostanzialmente questa metodologia ci permette di passare dal modello CAD tridimensionale, ovvero un file realizzato su un calcolatore, a un elemento fisico senza utilizzare le classiche macchine utensili: si saltano tutta una serie di passaggi legati alle tecnologie convenzionali”.

La sostenibilità di questa tecnologia, aspetto tenuto in grandissima considerazione al Politecnico di Torino, è legata a diversi aspetti.

• Efficienza delle risorse: la produzione genera pochissimi scarti poiché utilizza solo il materiale necessario alla forma finale.
• Inferiore consumo energetico: per produrre componenti di medie dimensioni una macchina per manifattura additiva richiede una potenza installata di circa 5 kW, mentre una fonderia equivalente necessiterebbe di diversi Megawatt.
• Localizzazione dei centri produttivi: le macchine hanno emissioni nulle, paragonabili a quelle di una cappa aspirante, permettendo l'installazione dei centri produttivi anche in contesti urbani, eliminando l'impatto ambientale tipico delle zone industriali pesanti.
• Economia circolare: la tecnologia consente più facilmente la riparazione di componenti usurati, ripristinando solo la parte danneggiata invece di sostituire l'intero pezzo.

Oltre a questo, la manifattura additiva consente di realizzare oggetti complessi e personalizzabili, permettendo la creazione di forme cave o geometrie interne impossibili da realizzare con le tecniche di produzione convenzionali, ottenendo risultati importanti anche dal punto di vista della funzionalità ed efficienza.

“Non bisogna pensare che la stampa tridimensionale sia destinata a sostituire completamente i processi di manifattura tradizionale”, avverte Luca Iuliano. “Piuttosto, li integra. Non sarebbe né funzionale né economicamente conveniente utilizzarla per produrre oggetti semplici come, che so, piastre di metallo con quattro fori; si tratta di una tecnologia sofisticata, adatta in modo particolare a due condizioni: quando è necessario ottenere oggetti di forma complessa, impossibili o molto difficili da ottenere con le tecniche convenzionali, e quando si tratta di una produzione in numeri limitati”.

Per questi motivi i settori più interessati al momento sono l'aerospazio e il settore medicale.

Continua Iuliano: “L’industria aerospaziale necessita di componenti sia particolarmente complessi come forma e struttura, sia il più possibile leggeri, visto che devono volare: due ambiti in cui la manifattura additiva presenta notevoli vantaggi; giusto per fare un esempio, al Centro IAM@Polito grazie a questa tecnica siamo riusciti a realizzare un supporto radar destinato a un drone più leggero del 60% rispetto all’equivalente realizzabile con le tecniche tradizionali; quanto al settore medicale, pensiamo al campo delle protesi anatomiche, dove abbiamo sia la necessità di produrre oggetti complessi sia personalizzati, perché adattati al singolo paziente: si tratta addirittura di una produzione unitaria, in questo caso, per cui la manifattura aggiuntiva è veramente la soluzione più efficace”.

Un altro settore che da diversi anni è molto interessato è quello del settore racing, in particolare la Formula Uno, anche in questo caso per la necessità di ottenere pezzi complessi, resistenti, leggeri e realizzati in numeri limitati. “È utilizzata da anni nel campo delle corse automobilistiche. Più recentemente nel contesto dell’innovazione tecnologica del settore automotive, l’additive manufacturing si sta anche affermando come una soluzione strategica per la progettazione e produzione di componenti ad alte prestazioni, soprattutto nei segmenti premium e luxury, dove leggerezza, personalizzazione e ottimizzazione strutturale rappresentano fattori chiave”.

Su un punto, Iuliano insiste: la qualità finale dei prodotti. “Una cosa che ripeto spesso è che non bisogna pensare che la manifattura additiva sia meno performante nell'ambito della qualità del materiale. In realtà, se i processi sono ben controllati, le prestazioni meccaniche e la qualità dei pezzi prodotti sono anche migliori, anzi sono sicuramente migliori di quelli ottenuti attraverso processi convenzionali”.

Quali sono le maggiori sfide che ha di fronte oggi questa tecnologia?
Superare i limiti che nascono dalle sue proprietà intrinseche, legate al fatto che è nata per realizzare prototipi, ovvero per definizione produzioni molto limitate dal punto di vista numerico.

Spiega Iuliano: “Quando è nata, alla fine degli anni Ottanta, era una tecnologia pensata per fare prototipi. Ancora oggi le macchine sono basate su quella vecchia filosofia, non sono del tutto automatizzate; sistemi nati per fare prototipi si sposano male per produzioni più estese: è un aspetto su cui lavorare; anche i sistemi di monitoraggio della lavorazione sono un po' ancora agli albori; possiamo dire che si sta lavorando soprattutto per arrivare a nuove generazioni di macchine che siano più produttive, che permettano di aumentare i volumi e progressivamente rendere conveniente questa tecnologia anche per produzioni più grandi”.

Un campo cruciale è quello della ricerca sui materiali. Rispetto a quelli disponibili per le tecnologie convenzionali, per la manifattura additiva abbiamo ancora relativamente pochi materiali disponibili. È un altro aspetto su cui si concentra la ricerca del Politecnico, in stretta collaborazione tra persone esperte di tutti i settori.

Ne abbiamo parlato con Paolo Fino, docente e componente dello IAM@PoliTO, dove segue in particolare l’area dei materiali: “Il Politecnico di Torino è uno dei pochissimi atenei dotati di un atomizzatore, che ci consente di produrre le polveri metalliche necessarie per la manifattura additiva in proprio: siamo in grado di farci le leghe come vogliamo noi, di capirle fino in fondo, con tutte le analisi del caso. Abbiamo a disposizione tutte le tecnologie esistenti e anche prototipali, tutte le competenze per progettare e riprogettare provini, campioni, prototipi… qualunque cosa, ottimizzarli e alla fine anche fare tutti i test. Uno dei nostri punti di forza è la collaborazione interdisciplinare, che ci dà una visione molto ampia sul tema e un vantaggio competitivo proprio sulla visione, sul futuro. I materiali, infatti, si possono evolvere solo insieme alla tecnologia”.

Quali sono oggi i principali obiettivi della ricerca nel campo dei materiali?

In primo luogo, aumentarli. Racconta ancora Fino: “L’obiettivo principale è ampliare il più possibile il range di materiali utilizzabili dalle varie tecnologie di manifattura additiva: ad oggi, nel campo dei materiali metallici abbiamo tra 100 e 150 materiali utilizzabili, una goccia nell’oceano, se consideriamo che di leghe metalliche ne esistono milioni: tecnicamente ne potrebbero esistere almeno mille volte tanti. Quindi lavoriamo per ampliare il numero di materiali e migliorarne la lavorabilità con le tecnologie additive, per capire meglio le caratteristiche del materiale dopo la lavorazione, quali tipi di tecnologia utilizzare per ottenere i risultati desiderati. Dal punto di vista dei materiali polimerici, è lo stesso: però in questo caso si può applicare un processo che assomiglia un po’ al riutilizzo dei materiali termoplastici tradizionali, ampliando così molto il campo dei materiali a disposizione; da questo campo mi aspetto grandi evoluzioni”.

La manifattura additiva anche nel campo dei materiali metallici si trova ad affrontare alcune sfide, legate al calore necessario per la lavorazione. Il nemico principale ha un nome: stress termico.

Spiega Fino: “Durante la stampa, si affrontano gradienti di temperatura estremi: in pochi millimetri si passa dai 1500°C del punto di fusione alla temperatura ambiente della camera di stampa. Se non si gestisce la dissipazione del calore, gli strati caldi che si raffreddano sopra strati già freddi tendono a contrarsi e a strapparsi, causando deformazioni o fratture. Per risolvere questo problema, si sta studiando la possibilità di utilizzare il laser non solo per fondere, ma anche per preriscaldare l'area della camera di stampa, in modo da ridurre il salto termico. Oppure, se invece del laser si utilizza per la fusione il fascio di elettroni, questo viene gestito prima come uno spruzzino e dopo come un rubinetto: prima di fondere la sezione, il fascio viene "defocalizzato" per colpire una superficie più ampia; questo trasmette calore all'intero del piano di stampa; quindi, viene ristretto per praticare la fusione, quando la superficie è già calda, annullando così lo stress termico tra gli strati”.

Ci sono anche casi in cui la manifattura additiva può risolvere dei problemi, consentendo il ricorso a leghe che con i sistemi convenzionali non sono utilizzabili: “Nella fonderia tradizionale non si possono unire elementi con densità molto diverse, si otterrebbe una stratificazione simile a quella tra acqua e olio, con gli elementi pesanti che precipitano sul fondo. La manifattura additiva risolve il problema fondendo micro-volumi di polvere (100-200 micron) in tempi rapidissimi: il materiale non ha il tempo di stratificare e si solidifica in una lega perfettamente omogenea. Un caso studio di rilevanza mondiale è stato invece quello delle pale per aviazione sviluppate per motori per aerei da General Electric-Avio. Erano realizzate in un materiale leggerissimo, ideale per il settore aerospaziale, ma relativamente fragile e difficile da gestire con la colata classica. Nei processi di fonderia tradizionale, i difetti microstrutturali erano tali che si riusciva a salvare solo una pala su sei (resa del 16%). Passando alla tecnologia additiva, la precisione del processo ha permesso di ridurre drasticamente i difetti, portando la resa a cinque pale su sei: e questo utilizzando lo stesso materiale, solo cambiando tecnologia”.

Un caso molto vicino alla vita di tutti i giorni riguarda il ricorso alla manifattura additiva per produrre trafile per la produzione di pasta in titanio, da utilizzare per sostituire quelle tradizionali in bronzo, che hanno il difetto di contenere rame, ed essere quindi abbastanza rapidamente degradabili. Spiega ancora Fino: "Tradizionalmente realizzate in bronzo, queste matrici sono soggette a un'usura rapida a causa dell'abrasione provocata dall'impasto; basta un'erosione di pochi centesimi di millimetro per alterare lo spessore della pasta, rovinando in seguito il processo di essiccazione. Produrre queste trafile con metodi tradizionali significa dover scavare barre di metallo solido, buttando via fino all'80% del materiale sotto forma di truciolo. Con la manifattura additiva non soltanto si utilizza solo la polvere necessaria, riducendo gli sprechi, ma è possibile impiegare il titanio, un materiale inerte e resistentissimo, realizzando curvature interne e spigoli vivi impossibili per una fresa”.

“In realtà, non si dovrebbe parlare di manifattura additiva al singolare: siamo di fronte, infatti, a un insieme di tecnologie, ognuna delle quali è adatta a materiali e realizzazioni diverse”.

Chi spiega è Federica Bondioli, docente e componente dello IAM@PoliTO, che coordina lo Spoke 6, dedicato alla manifattura additiva, nel partenariato MICS: obiettivo della ricerca è approfittare delle caratteristiche di questa tecnologia per declinarla in modo particolare verso la sostenibilità, creando una nuova generazione di prodotti più sostenibili, a zero scarti, personalizzabili e adatti a sostenere un’economia circolare, utilizzabili in tanti campi diversi, dalla gioielleria ai componenti per auto agli arredi. Prodotti che grazie alla stessa tecnologia si possano riparare, invece che sostituire, facili da riciclare, a basso impatto per tutto il loro ciclo di vita.   

Come spiega Bondioli, la manifattura additiva si declina in diverse tecnologie. Considerando i materiali metallici, essenzialmente, possiamo dividerla in due grandi categorie:

• Tecnologie a letto di polveri (PBF – Power bed fusion), in cui un laser (L-PBF) o un fascio di elettroni (EB-PBF) fondono sottilissimi strati di polvere depositati in precedenza
• Tecnologie ad apporto di polveri (DED – Direct Energy Deposition), in cui il materiale è contemporaneamente fuso mentre viene depositato sul substrato.

La tecnologia ad apporto di polveri, in particolare, consente una grande libertà di utilizzo, che la rende interessante anche per attività di riparazione, allungando così il ciclo di vita dei prodotti.

Spiega Bondioli: “La manifattura additiva rende possibile quella che è definita una doppia rivoluzione, verso una produzione digitale e sostenibile: una rivoluzione digitale, perché si parte sempre da modelli al computer, che possono essere elaborati e creati ad hoc; una rivoluzione sostenibile, perché in questo modo si va a mettere il materiale solo dove serve. È una filosofia completamente diversa: se nella produzione sottrattiva tradizionale si sottrae, cercando di togliere il meno possibile per risparmiare tempo macchina e tempo lavoro, nella manifattura additiva si va ad aggiungere solo l'essenziale: questo comporta un minor utilizzo di materie prime e minori scarti di produzione, a vantaggio della sostenibilità”.

Tra i progetti inclusi nello Spoke 6 coordinato da Federica Bondioli, ne menzioniamo tre.

• Il progetto Green Brake System sviluppa un innovativo sistema frenante, in grado di ridurre le emissioni di PM10 secondo la nuova normativa Euro7. L'obiettivo è una riduzione di oltre il 65% delle emissioni di polvere del sistema frenante. Questo si ottiene aggiungendo uno strato di rivestimento specifico alla ghisa standard del disco freno, grazie a una tecnica di produzione additiva.

• Il progetto “The direct/indirect use of additive manufacturing in construction viscous mixtures” studia il potenziale costruttivo e progettuale della tecnologia di produzione additiva con i materiali viscosi nel settore dell'ingegneria civile e dell'architettura. Il progetto include la realizzazione di due dimostratori, ovvero oggetti per l’arredo da utilizzare in ambiente outdoor, con l'obiettivo di ottenere un equilibrio ottimale tra prestazioni tecniche e impatto ambientale dei prodotti.

• Il progetto Mat4Fashion si propone di studiare la processabilità di materiali metallici e ceramici mediante diverse tecnologie di manifattura additiva, con lo scopo di realizzare gioielli e accessori di design. Queste tecnologie consentono infatti di superare i limiti imposti dalle tecnologie tradizionali come la fusione a cera persa o la lavorazione manuale per lasciare spazio agli artigiani ed esperti nel settore di sperimentare e dare forma alle loro idee senza avere vincoli legati alla geometria del pezzo, con la possibilità di creare oggetti unici e totalmente personalizzabili. 

Un aspetto importante, dal punto di vista del contributo della manifattura additiva alla sostenibilità, è anche quello dell’applicazione di sistemi di controllo in situ durante la produzione, in modo da ridurre gli scarti dovuti a errori durante il processo. Spiega Bondioli: “Si possono inserire tutta una serie di sensoristiche, come telecamere e telecamere termiche a raggi infrarossi, che eseguono un monitoraggio del pezzo mentre viene costruito, in modo tale da poter fermare la produzione nel momento in cui compare un difetto: questo porta ancora una volta a minori scarti e maggiore sostenibilità”.