AM metallo, le potenzialità e le criticità

Sono sempre maggiori le potenzialità di impiego delle tecnologie di fabbricazione additiva per componenti metallici, anche se permangono alcune criticità soprattutto nella produzione di lotti voluminosi.

di Alessandro Salmi *
* professore associato in Tecnologie e Sistemi di lavorazione presso il Dipartimento di Ingegneria Gestionale e della produzione (Digep) del Politecnico di Torino

La fabbricazione additiva (più semplicemente nota come stampa 3D) di componenti metallici è attualmente in fase di affermazione in ambito industriale grazie anche alla simultanea presenza sul mercato di differenti tecnologie. Infatti, accanto alle tecnologie maggiormente consolidate come la fusione laser selettiva (L-PBF) e la deposizione diretta di materiale (DED), stanno emergendo nuove tecnologie di stampa 3D metallica nell’ambito delle famiglie a getto di legante (binder jetting) e a estrusione di materiale (material extrusion). È quindi importante capire che la fabbricazione additiva di componenti metallici è uno strumento potente che offre molti vantaggi unici. Tuttavia, l’attuale stato dell’arte non sempre la rende l’opzione migliore quando si tratta di produrre un qualsivoglia componente metallico. Di seguito si illustreranno i principali vantaggi e svantaggi della fabbricazione additiva di componenti metallici. Questa analisi potrà fornire utili indicazioni per capire le possibili applicazioni vincenti, l’attuale livello di sviluppo di tali tecnologie e i loro possibili sviluppi futuri.

Vantaggi della stampa 3D in metallo

Ecco un elenco dei principali:

– Complessità geometrica senza costi aggiuntivi
Il più grande vantaggio della stampa 3D in metallo rispetto alla produzione tradizionale è l’eccezionale flessibilità che essa consente nella progettazione. Poiché non sono necessarie attrezzature specifiche (per esempio stampi) per la produzione di componenti, geometrie impossibili da prodursi attraverso i processi tradizionali possono risultare fabbricabili mediante la fabbricazione additiva. Va inoltre tenuto in considerazione che nel caso di stampa 3D l’aumento della complessità geometrica in un componente non ha quasi alcun effetto sul suo costo di produzione.

– Strutture alleggerite ottenute mediante software specifici
La grande flessibilità progettuale della stampa 3D in metallo va di pari passo con la concreazione di strutture alleggerite. In genere, il progettista trae ispirazione dai risultati che tecniche CAD/CAE avanzate, come l’ottimizzazione topologica e/o la progettazione generativa, possono fornire. L’uso di tali strumenti è fondamentale per le applicazioni di fascia alta in settori come quello aeronautico e aerospaziale.

– Miglioramento delle funzionalità dei componenti
La fabbricazione additiva rende possibile realizzare componenti con sottosquadri o strutture interne. Ne sono un esempio gli inserti per stampi a iniezione dotati di raffreddamento conformale, usualmente prodotti in tecnologia L-PBF, che possono ridurre i tempi ciclo fino al 70%. Altre tecnologie di fabbricazione additiva, come quelle basate sull’estrusione di materiale, possono essere utilizzate per realizzare dime e attrezzature personalizzate con geometrie complesse, permettendo di aumentare l’efficienza dei processi industriali tradizionali.

– Riduzione del numero delle parti di un assieme
Un altro grande punto di forza della stampa 3D in metallo è la sua capacità di ridurre il numero delle parti di un assieme. Ciò riduce (o elimina) la necessità di elementi di assemblaggio/giunzione e genera parti che possono svolgere più funzioni con temporaneamente. Inoltre, i costi di manodopera e i tempi di consegna possono essere ridotti al minimo. Come ulteriore vantaggio, la riduzione del numero delle parti porta con sé la creazione di strutture più leggere.

– Eccellenti proprietà dei materiali
Contrariamente alla fabbricazione additiva di materie plastiche, le parti prodotte con materiali metallici (a eccezione dei processi basati sull’estrusione di materiale) mostrano un comportamento meccanico pressoché isotropo. Inoltre, i componenti stampati 3D hanno un comportamento meccanico paragonabile a quello ottenibile con i processi tradizionali (e in alcuni casi anche migliore). Per questo motivo, le parti metalliche stampate in 3D hanno trovato applicazioni nei settori più esigenti, come quello aerospaziale. Si noti, tuttavia, che i componenti ottenuti dalla fabbricazione additiva hanno generalmente una resistenza alla fatica inferiore. Ciò è dovuto alla loro rugosità superficiale e all’eventuale presenza di porosità interne.

Svantaggi della stampa 3D in metallo

Ed ecco anche qui un elenco dei principali:

– Costi più elevati rispetto alla produzione tradizionale
Rispetto alle tecnologie di produzione tradizionali, il costo di un componente stampato in 3D è oggi mediamente più alto. Pertanto, è importante tenere presente che l’uso della stampa 3D in metallo ha senso economico solo se è collegato a un notevole miglioramento delle prestazioni della parte (maggiori funzionalità, alleggerimento, riduzione dei costi di manutenzione…). Tuttavia, c’è attualmente una richiesta di soluzioni di stampa 3D in metallo a prezzi accessibili. I nuovi sistemi desktop basati sulle tecnologie a getto di legante o a estrusione di materiale potrebbero colmare questa lacuna nel prossimo futuro.

– Economie di scala limitate
Un altro limite della stampa 3D in metallo è che attualmente non può competere con la produzione tradizionale quando si tratta di elevati volumi produttivi. La possibilità di produrre componenti senza la necessità di  attrezzature significa che i costi di avvio sono bassi, ma anche che i costi di produzione totali non sono influenzati in modo significativo dal volume di produzione. In altre parole, il prezzo unitario è pressoché indipendente dal volume produttivo. Tuttavia, sul mercato stanno comparendo sistemi di fabbricazione 3D progettati appositamente per la produzione industriale, in grado di sfruttare tecnologie che possano migliorare la produttività dei sistemi di fabbricazione additiva, per esempio mediante l’utilizzo di laser multipli, come nel caso dei sistemi L-PBF, oppure in grado di produrre in modo continuo come per i sistemi a getto di legante.

– Un approccio non convenzionale per la progettazione
La progettazione di parti per la stampa 3D in metallo segue un insieme diverso di regole rispetto alla produzione convenzionale. Ciò significa spesso che i componenti attuali, progettati per essere realizzati per un processo tradizionale, devono essere riprogettati. Inoltre, gli strumenti software di progettazione tradizionale potrebbero non essere sufficienti per sfruttare appieno i vantaggi della stampa 3D in metallo. È necessario adottare nuovi strumenti software di progettazione e formare nuovi progettisti in grado di pensare in modo additivo: questo non è un obiettivo facile da raggiungere in tempi rapidi.

– Necessità di finitura dei componenti
I componenti fabbricati additivamente in metallo hanno spesso la necessità di trattamenti di finitura per renderli adatti all’uso. Indipendentemente dalla tecnologia selezionata, per produrre la parte finale sono quasi sempre necessarie combinazioni di trattamenti termici, lavorazione meccanica, lucidatura e altri metodi di finitura (eventualmente non convenzionali). Va quindi tenuto in considerazione che i costi e i tempi di finitura dovranno essere sommati a quelli di fabbricazione. Dalle indicazioni presentate, possiamo dedurre come regola generale che gli attuali significativi costi della fabbricazione additiva in metallo possono essere giustificati a patto che il componente prodotto presenti un aumento sostanziale delle prestazioni e/o dell’efficienza operativa rispetto all’analogo componente ottenuto con tecnologie convenzionali.

Requisiti industriali

Inoltre, ogni specifico processo di stampa 3D in metallo è adatto a soddisfare requisiti industriali diversi. In dettaglio:

– L-PBF è la soluzione migliore per parti con elevata complessità geometrica che richiedono eccellenti proprietà dei materiali per aumentare l’efficienza di applicazioni critiche;

– DED è indicata per la creazione oppure la riparazione di parti di grandi dimensioni;

– permette la realizzazione di componenti di media complessità e senza la presenza di canali interni. Per contro presenta criticità nel processare materiali reattivi;

– binder jetting è adatta alla produzione in lotti con volumi medio-bassi che non possono giustificare l’investimento economico di un processo fusorio e per pezzi con geometrie che non possono essere prodotti in modo efficiente con un metodo sottrattivo;

– metal extrusion è la migliore soluzione per prototipi in metallo e pezzi unici (non utilizzati per applicazioni critiche) aventi geometrie complesse che altrimenti richiederebbero una macchina CNC a 5 assi per la loro produzione.