Un brevetto per trasformare il cambio utensile in un cambio di processo
Hybrid Manufacturing Technologies Limited sta sviluppando una soluzione che punta a rendere più automatizzato uno dei passaggi più complessi delle macchine che combinano produzione additiva e lavorazioni CNC: il cambio della testa di processo.
La domanda di brevetto europea EP4786088A2, pubblicata il 5 agosto 2026, descrive un’architettura nella quale una macchina utensile può agganciare una testa dedicata alla deposizione di materiale utilizzando principi simili a quelli già impiegati nei cambi utensile automatici delle CNC. La differenza è sostanziale: una normale fresa richiede soprattutto un collegamento meccanico preciso con il mandrino, mentre una testa per produzione additiva può aver bisogno contemporaneamente di materiale, gas, fluidi di raffreddamento, alimentazione elettrica, segnali di controllo e, in alcune configurazioni, energia laser.
L’obiettivo di Hybrid Manufacturing Technologies è creare un’interfaccia che permetta di stabilire queste connessioni durante la procedura di aggancio, riducendo la necessità di collegare manualmente tubazioni, cavi o altri servizi quando la macchina passa da una lavorazione all’altra.
Il risultato potrebbe essere una macchina CNC capace di alternare fresatura, deposizione additiva, misura e controllo del pezzo seguendo una sequenza programmata, senza richiedere necessariamente l’intervento dell’operatore a ogni cambio di tecnologia.
Un progetto con una storia che parte dal 2017
La pubblicazione europea del 2026 non rappresenta l’inizio dello sviluppo della tecnologia. La famiglia brevettuale di Hybrid Manufacturing Technologies risale a una priorità britannica del 22 marzo 2017.
Una domanda internazionale collegata, pubblicata come WO2018172774A1, e la corrispondente domanda statunitense US20200086424A1 descrivono infatti una macchina utensile dotata di un sistema per trasferire energia e mezzi di processo attraverso una testa intercambiabile.
Tra gli inventori indicati nella documentazione statunitense figurano Jason Jones, Peter Coates, Peter-Jon Solomon e Joshua Zadroga, mentre Hybrid Manufacturing Technologies Limited compare come assegnataria dell’invenzione.
Questo contesto è importante perché mostra come l’idea non sia nata nel 2026. La nuova pubblicazione europea fa parte di un percorso di protezione e sviluppo di un’architettura sulla quale Hybrid Manufacturing Technologies lavora da diversi anni.
La società britannica ha concentrato una parte della propria attività proprio sull’integrazione di tecnologie additive all’interno di macchine utensili, con l’obiettivo di sfruttare la struttura, gli assi controllati e il mandrino delle CNC anche per operazioni diverse dalla tradizionale asportazione di truciolo.
Perché una testa additiva è molto più difficile da cambiare rispetto a una fresa
I centri di lavoro CNC utilizzano cambi utensile automatici da decenni. Il mandrino può prelevare una fresa, una punta o un altro utensile dal magazzino, utilizzarlo e sostituirlo con quello successivo seguendo il programma di lavorazione.
Una testa di produzione additiva introduce però esigenze molto diverse.
Una testa destinata alla deposizione di metallo può richiedere, per esempio, un flusso di polvere o filo metallico, un gas di protezione, un sistema di raffreddamento e una sorgente energetica capace di fondere il materiale.
Nel caso di una tecnologia basata su laser devono essere gestiti anche l’allineamento del fascio e i componenti ottici. Altre teste potrebbero utilizzare materiali polimerici sotto forma di filamento, pellet o altre materie prime.
A queste connessioni fisiche si aggiungono alimentazione elettrica, segnali provenienti da sensori, comunicazione con il controllo numerico e dispositivi destinati alla verifica del processo.
Il problema diventa quindi quello di trasformare un insieme di collegamenti differenti in un’interfaccia abbastanza robusta e ripetibile da poter essere utilizzata automaticamente all’interno di una macchina industriale.
Il ruolo dello stop block della macchina CNC
La soluzione descritta da Hybrid Manufacturing Technologies utilizza un componente già presente in numerose configurazioni di macchine utensili: lo stop block associato al sistema antirotazione.
Alcuni utensili o teste montati sul mandrino devono avere una parte esterna che rimane ferma mentre altri componenti ruotano. Per impedire la rotazione indesiderata viene utilizzato un braccio antirotazione che si inserisce in un elemento solidale alla macchina.
Hybrid Manufacturing Technologies propone di utilizzare questa zona non soltanto per bloccare la rotazione della testa, ma anche come punto di collegamento per energia e mezzi di processo.
Lo stop block può quindi incorporare un manifold, cioè un collettore dotato di differenti connessioni. La testa di processo dispone di un manifold corrispondente.
Quando il mandrino prende la testa e il braccio antirotazione entra nella propria sede, i due elementi vengono portati nella posizione necessaria per creare le connessioni.
Il normale movimento utilizzato per installare un utensile può quindi diventare anche una parte della procedura con cui la macchina collega automaticamente la testa alle proprie infrastrutture.
Gas, raffreddamento, materiale ed energia attraverso una singola interfaccia
La documentazione brevettuale di Hybrid Manufacturing Technologies contempla la possibilità di trasferire attraverso il sistema diversi tipi di mezzi.
Tra questi possono rientrare fluidi di raffreddamento destinati alla testa, gas utilizzati per proteggere il processo dall’atmosfera, materiali da depositare ed energia necessaria alla lavorazione.
Il brevetto considera anche la possibilità di integrare più servizi nello stesso manifold.
Per una testa di deposizione laser, per esempio, il sistema potrebbe dover coordinare alimentazione del materiale, gas protettivo e gestione dell’energia destinata alla zona di lavorazione.
Il concetto non è però limitato esclusivamente alla deposizione metallica. La documentazione considera un campo di applicazione più ampio, nel quale la testa può essere utilizzata per aggiungere materiale, effettuare ispezioni oppure acquisire dati sul pezzo.
Questo apre la possibilità di utilizzare lo stesso principio per teste di misura, sensori e sistemi di controllo dimensionale.
Il docking a più stadi protegge i collegamenti più delicati
Uno degli aspetti tecnicamente più interessanti dell’architettura di Hybrid Manufacturing Technologies riguarda il cosiddetto docking multistadio.
Un sistema nel quale tutti i connettori vengono innestati simultaneamente presenta diversi problemi. Collegamenti per acqua, gas, elettricità o segnali possono richiedere precisioni differenti e possono sopportare forze di inserimento molto diverse.
Una macchina dovrebbe quindi garantire contemporaneamente posizione, forza e rigidità sufficienti per accoppiare tutti gli elementi.
Hybrid Manufacturing Technologies propone invece di suddividere l’operazione in più fasi.
Il primo movimento crea un accoppiamento meccanico con una precisione relativamente grossolana. La documentazione brevettuale descrive per questa fase movimenti nell’ordine di 1-20 millimetri.
Una fase successiva effettua un allineamento più preciso, con spostamenti inferiori a un millimetro che possono arrivare a valori dell’ordine di pochi micrometri e fino a circa 25 micrometri.
Solo quando i due manifold sono correttamente allineati possono essere inseriti i collegamenti più delicati.
Il sistema consente quindi di evitare che un raccordo per il raffreddamento oppure un connettore elettrico venga sottoposto a una forza laterale elevata durante il movimento iniziale.
Perni conici e allineamento di precisione
Hybrid Manufacturing Technologies descrive anche diverse soluzioni meccaniche per guidare l’accoppiamento.
Una possibilità consiste nell’utilizzare perni conici su uno dei manifold e aperture corrispondenti sull’altro. Durante l’avvicinamento, la geometria dei perni conduce progressivamente i due elementi verso la posizione corretta.
I connettori più sensibili possono rimanere arretrati durante questa fase e avanzare soltanto quando l’allineamento è stato completato.
In altre configurazioni il movimento di precisione può avvenire in una direzione diversa rispetto al movimento iniziale di aggancio.
Questa separazione delle funzioni permette di progettare il sistema tenendo conto sia delle tolleranze meccaniche della macchina sia delle esigenze specifiche dei collegamenti presenti sulla testa.
Meno forze durante l’aggancio
Il docking multistadio può avere un altro vantaggio: ridurre le forze richieste durante il cambio della testa.
Quando numerosi connettori devono essere accoppiati nello stesso momento, le forze necessarie possono sommarsi. Una struttura che esegue l’operazione deve quindi essere sufficientemente rigida da contrastare tali carichi senza perdere precisione.
Questo requisito può diventare particolarmente importante quando la testa viene movimentata non da una grande macchina utensile ma da un robot, un gantry oppure una piattaforma di dimensioni inferiori.
Separando l’aggancio in più movimenti è possibile distribuire le forze e completare le connessioni quando le superfici sono già state allineate.
Hybrid Manufacturing Technologies indica esplicitamente questa possibilità come uno dei motivi per cui l’architettura potrebbe essere adatta anche a bracci robotici e sistemi con una rigidità inferiore rispetto a un centro di lavoro pesante.
Proteggere i connettori da trucioli, olio e refrigerante
Portare componenti tipici della produzione additiva all’interno di una CNC comporta un altro problema: l’ambiente di lavoro.
Una macchina destinata alla fresatura produce trucioli metallici e utilizza spesso fluidi da taglio. Olio, refrigerante, particelle e altri residui possono entrare in contatto con componenti che, su una macchina additiva dedicata, lavorerebbero in condizioni molto differenti.
Un connettore elettrico, un raccordo per il gas o un’interfaccia ottica non possono essere lasciati senza protezione in una zona sottoposta continuamente a spruzzi di refrigerante e trucioli.
Il brevetto di Hybrid Manufacturing Technologies prevede quindi la possibilità di utilizzare coperture protettive che rimangono chiuse quando il manifold non viene utilizzato.
La protezione può essere spostata o rimossa durante la procedura di docking, dopo che la testa e il sistema di alimentazione hanno raggiunto una posizione sufficientemente precisa.
Questo dettaglio evidenzia uno degli aspetti meno visibili ma più complessi della produzione ibrida: non basta installare una testa additiva su una CNC, perché occorre far convivere componenti nati per ambienti e processi molto differenti.
Dalla sostituzione dell’utensile alla sostituzione dell’intero processo
Il punto centrale del progetto di Hybrid Manufacturing Technologies è il passaggio dal concetto di tool changer a quello di process changer.
Una macchina CNC dotata di un magazzino utensili tradizionale sceglie strumenti diversi che appartengono comunque alla stessa famiglia di lavorazioni sottrattive.
Con una piattaforma di docking per teste complete, la stessa logica può essere estesa a processi differenti.
La macchina potrebbe depositare materiale con una testa additiva, riporla nel magazzino, montare una fresa e lavorare le superfici appena create. Successivamente potrebbe installare una sonda di misura e controllare le dimensioni prima di continuare con una nuova fase di deposizione.
Il pezzo potrebbe rimanere fissato sulla stessa tavola durante l’intera sequenza.
Questo aspetto è particolarmente importante per la precisione, perché ogni trasferimento del componente da una macchina a un’altra richiede un nuovo piazzamento e una nuova definizione dei riferimenti.
Mantenere il pezzo nello stesso sistema di coordinate permette invece di collegare più lavorazioni all’interno di un unico ciclo produttivo.
La produzione ibrida è già una realtà industriale
Il concetto di combinare processi additivi e sottrattivi nella stessa macchina è già presente sul mercato.
DMG MORI propone, per esempio, la famiglia LASERTEC DED hybrid, nella quale deposizione mediante Directed Energy Deposition e lavorazioni di fresatura o tornitura vengono integrate nella stessa piattaforma.
Okuma utilizza un’impostazione analoga nella propria gamma LASER EX, dove la Laser Metal Deposition viene combinata con lavorazioni CNC e, a seconda della configurazione, con processi quali tempra e rivestimento.
Queste macchine dimostrano perché la produzione ibrida sia interessante soprattutto nella fabbricazione e riparazione di componenti metallici complessi.
L’approccio di Hybrid Manufacturing Technologies introduce però una prospettiva differente: anziché considerare necessariamente la tecnologia additiva come parte permanentemente installata nella macchina, la testa di processo può essere concepita come un modulo intercambiabile.
In questo modo la macchina potrebbe essere configurata in funzione del lavoro richiesto.
Una CNC che può modificare le proprie capacità
Se portato in una soluzione commerciale completa, il principio descritto nel brevetto permetterebbe di immaginare un magazzino non composto soltanto da frese e utensili convenzionali, ma anche da vere e proprie teste di processo.
Una testa potrebbe essere dedicata alla deposizione di metallo, un’altra a un materiale differente, una terza all’ispezione e un’altra ancora alla misura.
La macchina sceglierebbe la testa richiesta dal ciclo produttivo e stabilirebbe automaticamente i collegamenti necessari.
Questo modello avrebbe particolare interesse per produzioni caratterizzate da piccoli lotti, componenti complessi, riparazioni e applicazioni nelle quali lo stesso pezzo deve attraversare molte fasi differenti.
Il vantaggio potenziale non riguarda soltanto il numero di macchine utilizzate. Una piattaforma modulare consentirebbe anche di sostituire o aggiornare una singola tecnologia senza dover necessariamente sostituire l’intero centro di lavoro.
Le applicazioni nella riparazione dei componenti
Una delle applicazioni più logiche delle macchine ibride riguarda la riparazione.
Un componente metallico usurato può essere prima misurato, poi ricostruito localmente aggiungendo nuovo materiale e infine lavorato con una fresa per riportare le superfici alle tolleranze richieste.
In un processo tradizionale queste operazioni possono richiedere macchine e reparti differenti.
Una macchina ibrida può invece mantenere il componente nella stessa attrezzatura mentre alterna misura, deposizione e finitura.
Settori come aerospazio, energia, stampi e lavorazioni di componenti ad alto valore sono particolarmente adatti a questo approccio, perché il recupero di un elemento esistente può risultare più conveniente rispetto alla produzione integrale di un nuovo pezzo.
Automazione hardware e software devono procedere insieme
La capacità di cambiare automaticamente una testa rappresenta soltanto una parte del problema.
Una macchina capace di alternare deposizione e fresatura deve anche disporre di un software in grado di pianificare correttamente la sequenza delle operazioni.
La produzione additiva e quella sottrattiva seguono logiche differenti. La prima deve considerare accessibilità della testa, strategia di deposizione, accumulo termico e geometria intermedia del componente. La seconda deve verificare accessibilità dell’utensile, collisioni, sovrametallo e condizioni di taglio.
In una produzione ibrida queste valutazioni devono essere coordinate.
La ricerca accademica sulla pianificazione dei processi ibridi ha infatti evidenziato che la vera complessità non consiste semplicemente nel disporre di entrambe le tecnologie, ma nello stabilire quale operazione debba essere effettuata in ciascuna fase e quale geometria intermedia debba essere prodotta prima di passare alla lavorazione successiva.
Il docking automatico proposto da Hybrid Manufacturing Technologies risolve quindi soprattutto il livello fisico dell’automazione. Per sfruttarlo pienamente serve un controllo macchina capace di coordinare utensili, teste, parametri di processo, sensori e percorsi CAM.
Il significato industriale del brevetto
La domanda EP4786088A2 non certifica da sola che la soluzione sarà adottata su larga scala né indica quando una specifica configurazione commerciale utilizzerà tutte le caratteristiche descritte.
Un brevetto definisce infatti un insieme di soluzioni tecniche che un’azienda intende proteggere e può contenere varianti più ampie rispetto a quelle che arriveranno effettivamente sul mercato.
Il documento permette però di comprendere con chiarezza la direzione scelta da Hybrid Manufacturing Technologies.
Il cambio utensile automatico è stato uno degli elementi che hanno reso i centri di lavoro CNC capaci di eseguire sequenze complesse senza continue operazioni manuali.
Hybrid Manufacturing Technologies tenta di estendere la stessa logica dalle singole frese alle tecnologie di processo complete.
Se una testa additiva, una testa di misura o un altro modulo possono essere prelevati e collegati con un livello di automazione simile a quello di un utensile CNC, la macchina ibrida può diventare una piattaforma più modulare.
Il punto non è quindi soltanto mettere stampa 3D e fresatura nella stessa macchina. È permettere alla macchina di modificare automaticamente il proprio modo di lavorare durante il ciclo produttivo.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
