Tecnologie di produzione additiva

L’avvento di tecnologie digitali a costi sempre più contenuti e facilmente accessibili ha portato in questi ultimi anni alla quarta rivoluzione industriale, comunemente definita Industria 4.0, in cui l’intera catena del valore di un’azienda risulta essere costantemente monitorata, permettendone l’ottimizzazione ed il tempestivo intervento in caso di anomalie.

Elemento chiave dell’attuale rivoluzione industriale è la flessibilità del sistema produttivo e, tra le numerose tecnologie che ne hanno permesso lo sviluppo, le metodologie di produzione mediante fabbricazione additiva (Additive Manufacturing) sono attori fondamentali nel panorama di flessibilità richiesto.

Originariamente impiegate per la realizzazione in tempi brevi di prototipi a basso costo, da cui il nome iniziale “rapid prototyping”, le tecnologie di lavorazione additiva hanno subito un’evoluzione tale da permetterne l’utilizzo anche per la realizzazione di prodotti finiti, portando inoltre alla redazione di una norma da parte di ASTM International per la loro classificazione (ASTM F2792 12a).

A differenza delle tecnologie di produzione tradizionali, sottrattive, di deformazione e fusorie, il concetto base della produzione additiva consiste nel creare il componente aggiungendo il materiale del manufatto strato su strato, o layer-by-layer, fino al raggiungimento della forma e dimensioni desiderate. La realizzazione dei suddetti layer può ottenersi grazie all’utilizzo di differenti tecnologie che la norma suddivide in sette diverse famiglie:

1. La stereolitografia, impiegata per resine, permette la fotopolimerizzazione dello strato mediante una fonte luminosa.
2. L’estrusione, utilizzata per plastiche, compositi e biomateriali, consente la deposizione degli strati mediante la fuoriuscita di materiale da un ugello. In presenza di più ugelli è possibile creare oggetti costituiti da differenti materiali.
3. Il “material jetting” prevede la deposizione dei vari strati di materiale sotto forma di gocce che solidificano velocemente. La solidificazione può avvenire per semplice raffreddamento nel caso di cere o materiali metallici, o per fotopolimerizzazione nel caso di polimeri.
4. Nel “binder jetting” viene versato del collante all’interno di ogni singolo strato di polveri nelle zone di interesse. Viene poi aggiunto lo strato successivo di polveri con un nuovo getto di collante fino all’ottenimento del prodotto finale. Tale tecnica viene principalmente usata per oggetti in gesso, sabbia e metallo.
5. La fusione in letto di polveri, usata per plastiche, materiali ceramici e soprattutto metalli, consiste nel susseguirsi di processi di fusione e solidificazione localizzata delle polveri all’interno di un contenitore. La fusione localizzata si ottiene grazie alla focalizzazione di fasci laser o elettronici ad elevata energia nei punti di interesse.
6. Anche la deposizione diretta di energia sfrutta fasci ad elevata potenza, ma in questo caso lo strato di materiale di apporto, generalmente metallico, viene posizionato e riscaldato direttamente nella zona di interesse.
7. L’ultimo processo classificato, utilizzato per materiali compositi e carta, è la laminazione in cui fogli di materiale vengono incollati o saldati gli uni sugli altri.

Vantaggi e limiti della produzione additiva

Oltre all’estrema varietà dei materiali lavorabili, ulteriori fattori giustificano l’enorme impatto di queste tecnologie sulla produzione aziendale degli ultimi anni. Tra queste, sono da sottolineare la semplicità di ottenere forme complesse, non realizzabili con processi tradizionali, la possibilità di personalizzazione del prodotto, la riduzione del numero di componenti e relative giunzioni, a parità di costo. Gli scarti di lavorazione, inoltre, risultano essere minimi, a favore anche dell’ambiente, con una produzione maggiormente sostenibile.

Nonostante l’ampia diffusione delle tecnologie additive, rimangono ancora dei limiti, quali tempi di produzione superiori, accuratezza, qualità superficiale e numerosità inferiore dei lotti, rispetto ai processi convenzionali.

Tali limitazioni possono essere superate mediante la ricerca volta all’ottimizzazione dei parametri di processo, alla scelta dei materiali più opportuni ed alla progettazione mirata dei componenti ottenuti per fabbricazione additiva. Il team di ricerca di Ingegneria Industriale e dell’Automazione della Facoltà di

Scienze e Tecnologie della Libera università di Bolzano si occupa di questi aspetti ed è disponibile a collaborazioni, dimostrazioni e ad iniziative formative o divulgative.

Autori

Dr. Yuri Borgianni e Dr. Cristian Cappellini (Libera Università di Bolzano)