Additive manufacturing: 3D Printing: lo “stampo” all’orizzonte

“Stampo stampato” in metallo per iniezione gomma.
“Stampo stampato” in metallo per iniezione gomma.

Abbiamo di recente approfondito il tema della prototipazione rapida di pezzi (prototipi, componenti e stampi) mediante stampa 3D al fine di fare il punto della situazione nel settore dal punto di vista tecnologico e di capire quale ne sia la diffusione sul mercato, in particolare in Italia.

A tal fine abbiamo interpellato la ExOne Company (ExOne), un’impresa americana fondata nel 2005 come spin-off di Extrude Hone Corporation, società del gruppo Kennametal attiva nel settore delle tecnologie di produzione e processi di lavorazione non convenzionali. ExOne è un’impresa che, dall’anno della sua fondazione, ha investito centinaia di milioni di euro in ricerca e sviluppo con l’obiettivo di cercare soluzioni di produzione sempre più avanzate, tra le quali le macchine industriali di produzione additiva e di stampa 3D mediante polveri.

Testa con getto del legante.
Testa con getto del legante.

Un potenziale enorme
L’ing. Said Omar, amministratore delegato di ExOne Italy S.r.l., filiale italiana con sede a Desenzano del Garda (BS) dell’omonima casa madre americana, racconta: «La nostra esperienza nel settore risale al 1997, all’epoca cioè in cui la Extrude Hone Corporation, l’impresa da cui è poi nata ExOne, iniziò a produrre un sistema di Rapid Prototyping che fu adoperato per la prima volta dalle case automobilistiche». Oggi l’evoluzione nel settore ha fatto passi da gigante e le attuali macchine di prototipazione rapida consentono di ottenere pezzi e prototipi in maniera assai più precisa e con tempi infinitamente inferiori rispetto al passato.

Area di lavoro della stampante sabbia.
Area di lavoro della stampante sabbia.

Vi sono diverse tecnologie di stampa 3D: vi è quella che sfrutta la fusione laser delle polveri, quella che deposita il materiale fuso su un supporto, altra (molto diffusa) che fonde filamenti di materiale plastico, altra ancora detta “fotopolimerazzione a due fotoni”, che indurisce un gel mediante la concentrazione laser, ecc. La ExOne, in particolare, opera nel campo del 3D Printing ottenuto per iniezione, cioè per addizione di legante su uno strato di polvere mediante una testina in movimento all’interno di una stampante.

Omar spiega: «Noi operiamo nel settore della stampa con “polvere legata” in cui il legante funge da collante per la polvere che può essere di diversi materiali, per esempio l’acciaio, il tungsteno, la grafite, ecc., a seconda delle applicazioni e dei settori di sbocco. Cooperiamo con diverse università, in particolare americane, per elevare continuamente il livello tecnologico delle nostre macchine e per studiare soluzioni sempre nuove e più efficaci».

Area di lavoro della stampante metallo.
Area di lavoro della stampante metallo.

Quanto sono diffuse queste tecniche, nel mondo industriale? «Si tratta di tecniche e sistemi che stanno prendendo sempre più piede, anche se vi è ancora molto da fare e vi sono ancora enormi margini per affinare la tecnologia o per implementare nuove idee. Con l’introduzione di sistemi sempre più sofisticaci ed efficaci, precisi e veloci, credo che nel giro di qualche anno assisteremo a un vero e proprio “boom” della stampa 3D, la quale farà concorrenza a molte tecnologie “standard”. Già oggi molti parlano di “quarta rivoluzione industriale” in quanto nella realizzazione di prototipi o di lotti in piccole serie l’utilizzo di sistemi di addizione di materiale è sempre più diffuso e richiesto, a scapito, per esempio, dell’asportazione di truciolo. Mediante il 3D Printing è difatti ormai possibile ottenere forme di qualunque tipo, immettendo i materiali giusti “lì dove serve”, semplificando in particolare la fase di prototipazione e quindi snellendo le procedure di progettazione dei pezzi».

In che modo è possibile “convincere” le imprese a testare la strada della stampa 3D? «Noi in genere proponiamo ai nostri potenziali clienti un periodo di “rodaggio”, cioè lasciamo al cliente la possibilità di provare le macchine all’interno della nostra sede a Desenzano del Garda; durante tale periodo l’utilizzatore ha possibilità di testare dal vivo il reale valore del 3D Printing, e in questo viene aiutato dal nostro personale che lo assiste nella produzione dei pezzi. In genere, dopo un periodo di pochi mesi, il “novello utilizzatore” è completamente in grado di padroneggiare la nostra tecnologia».

Forme e anima in sabbia per fonderie.
Forme e anima in sabbia per fonderie.

Polvere legata”: futuro per le fonderie
Il business della ExOne è concentrato in due ambiti. Il primo e più importante è quello delle fonderie, per le quali i macchinari ExOne possono realizzare anime e stampi in sabbia per getti, mediante stampa 3D. Said Omar entra nel dettaglio: «Noi proponiamo agli utilizzatori una serie di macchine, stampanti di produzione e di prototipazione, con cui è possibile realizzare anime e stampi in sabbia per produzioni di piccole e medie serie».

Quali prestazioni garantisce questo tipo di macchine? «Dieci anni fa le nostre macchine di stampa 3D permettevano la produzione di un’anima in sabbia di medie dimensioni con circa 52 ore di lavoro; oggi, invece, tale media si è abbassata a 12 ore. Il merito di tale impressionante sviluppo è da attribuire non solo nell’aumentata potenza di calcolo dei computer e dei relativi sistemi software, ma anche nel miglioramento in termini di assi meccanici e di azionamenti elettronici delle testine che adducono il materiale».

Quali sono le più recenti novità nel settore? «Per quel che ci riguarda, lo scorso giugno abbiamo presentato alla fiera Düsseldorf, in Germania, una nuova macchina, la Exerial che è in grado di produrre anime in sabbia in volumi anche importanti. Si tratta di una tecnologia di nuova concezione, con due aree di lavoro, una testa a getto di legante di un metro di larghezza capace di movimenti assiali più rapidi, e un software di programmazione e controllo più potente».

Le fonderie sono realmente interessate alla stampa 3D? «Alcuni nostri studi di settore dicono che il mondo della fonderia ripartirà in Italia nel 2017. È questa la ragione per cui, ad inizio 2015, la nostra casa madre ha deciso di aprire la filiale italiana a Desenzano del Garda. L’obiettivo è quello di essere pronti per la “ripresa del 2017”. In realtà, già oggi, dopo solo pochi mesi di lavoro, abbiamo raggiunto risultati insperati in quanto molte fonderie hanno deciso di sperimentare le nostre macchine; ma ciò che più ci soddisfa è il loro reale interesse nell’introdurle all’interno del loro contesto produttivo. Siamo convinti che il 2015 si chiuderà per noi in maniera molto positiva».

Pezzi metallici realizzati per stampa.
Pezzi metallici realizzati per stampa.

Stampisti, opportunità da esplorare
L’altro ambito in cui opera ExOne è quello della costruzione di prototipi, in particolare per i settori automotive, energetico e aerospaziale, nonché di attrezzature di produzione, come per esempio gli stampi. «Da questo punto di vista – sottolinea l’amministratore delegato – le imprese italiane sono meno attive rispetto a quelle che producono anime per fonderia. Attualmente, infatti, la produzione di stampi avviene in Italia ancora quasi esclusivamente per asportazione di truciolo e mediante assemblaggio di sottocomponenti. La strada da fare è ancora tanta».

Quali vantaggi potrebbe offrire questo tipo di tecnologia nel settore degli stampi? «I vantaggi sono gli stessi ottenuti nella produzione di anime in sabbia: l’addizione di materiale permette di realizzare pezzi in grande velocità, quindi in tempi rapidi, e con forme e figure ormai di qualunque tipo. Uno dei vantaggi più evidenti è anche il cosiddetto “conformal cooling”, ossia la possibilità di realizzare con grande facilità e senza lavorazioni aggiuntive un sistema di raffreddamento dello stampo molto efficiente, cioè canali con diametro dell’ordine di 1 mm per il passaggio dell’acqua, e di pochi decimi di millimetro per il passaggio dell’aria».

Che tipo di stampi è possibile realizzare oggi mediante il 3D Printing? «Praticamente tutti, in quanto lo stampo è un componente meccanico come altri, solo che non è il prodotto finale bensì il “mezzo” con cui si realizza il pezzo finale. L’unica vera limitazione è costituita dalle dimensioni: la stampa 3D risulta poco conveniente se lo stampo è molto grande, in quanto i tempi di realizzazione si allungano e i costi aumentano notevolmente facendo risultare tale metodo di produzione poco conveniente».

Vi sono limitazioni per quel che riguarda il materiale? «Assolutamente no. Mediante la stampa 3D è possibile realizzare pezzi in una svariata gamma di materiali, in alcuni casi anche di difficile lavorabilità in asportazione di truciolo. È cioè possibile produrre pezzi in alluminio, in titanio, in carburo di tungsteno e in leghe di cobalto-cromo, ferro-cromo-alluminio, oltre che in acciaio inox e in Inconel, materiali tipicamente adoperati nella produzione di stampi. Insomma, mediante il 3D Printing possono essere costruiti stampi sia per pressofusione destinati alla realizzazione di pezzi metallici, sia a iniezione per la fabbricazione di componenti in materiale termoplastico. La differenza tra i due tipi è che gli stampi a iniezione devono essere raffreddati più velocemente in quanto soggetti a cicli più rapidi di riscaldamento e raffreddamento; quindi occorrono materiali più resistenti all’usura e alla fatica in modo da evitare la formazione di cricche e non comprometterne la durata sul lungo periodo».

Quali sono, allora, i motivi per cui gli stampi realizzati col 3D Printing non sono ancora “all’altezza” di quelli realizzati per asportazione di truciolo? «Vi sono alcuni aspetti effettivamente da migliorare. Oltre alla già citata bassa convenienza nel caso di pezzi di grandi dimensioni, il vero problema del 3D Printing è quello della “vita” dello stampo, in quanto non vi sono ancora dati certi in termini di resistenza all’usura. Attualmente si procede per tentativi provando di volta in volta diversi materiali: solo dopo aver realizzato lo stampo e dopo averlo sottoposto a svariati cicli di stampaggio è possibile valutarne la durata e l’usura superficiale. Uno stampo realizzato mediante 3D Printing ha quasi sempre una durata inferiore rispetto a quella di uno stampo realizzato mediante asportazione di truciolo, ed è per questo che attualmente tale tecnologia è poco diffusa presso gli stampisti, se non per la realizzazione di preserie o serie di piccole dimensioni. Ecco, l’obiettivo per i prossimi anni sarà quello di studiare sistemi di addizione non solo più rapidi, cioè in grado di realizzare qualsiasi pezzo in tempi sempre più brevi, ma anche tali da conferire proprietà “certe” in termini di resistenza all’usura, in particolare per resistere a cicli di riscaldamento e raffreddamento molto rapidi durante lo stampaggio. In questo modo siamo certi che tale tecnologia si diffonderà anche presso l’industria degli stampi».

Iniezione di legante su polvere
La tecnologia di stampa 3D della ExOne è un processo di fabbricazione che, mediante l’addizione “a strati” (layers) dal basso verso l’alto, permette la costruzione di un oggetto solido tridimensionale da un modello digitale. Ogni strato ha uno spessore di pochi decimi di millimetro. Tale sistema consente la produzione di particolari con caratteristiche geometriche che non possono essere realizzati mediante altri processi produttivi.Il processo di stampa viene ottenuto con l’utilizzo di materiali industriali durevoli e di alta qualità (l’acciaio inox, il silicio, il titanio, ecc.) e con l’addizione di collanti (leganti) di varia natura a seconda dei casi applicativi. Durante la fase di stampa, la testina si muove sugli assi X, Y al di sopra di un letto di polvere di materiale, sul quale viene deposto il legante. Terminata la deposizione, lo strato si abbassa (asse Z), e si procede con lo strato di polvere superiore su cui depositare altro legante; e così fino alla realizzazione dell’oggetto.

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