General Atomics guiderà GOTHAAM, il programma da 5,5 milioni di dollari per qualificare leghe di alluminio ad alta resistenza nella stampa 3D
Un programma da 5,5 milioni di dollari per portare l’alluminio LPBF verso applicazioni strutturali
General Atomics Aeronautical Systems, Inc. (GA-ASI) guiderà un ampio gruppo industriale nel progetto GOTHAAM, acronimo di Generation Of Technical-data for High-strength Aluminum Alloy Material, un programma finanziato con 5,5 milioni di dollari e coordinato da America Makes insieme al National Center for Defense Manufacturing and Machining (NCDMM).
L’obiettivo non consiste semplicemente nello sviluppare una lega di alluminio stampabile in 3D con buone proprietà meccaniche. Il programma punta a costruire la base di dati, le specifiche di processo e i valori statistici necessari affinché un materiale prodotto mediante Laser Powder Bed Fusion possa essere considerato per applicazioni strutturali nei settori aerospaziale e della difesa.
Il progetto è finanziato attraverso il Manufacturing Technology Office e risponde a una delle principali difficoltà che ancora limitano l’impiego della produzione additiva metallica su larga scala: ottenere dati sufficientemente robusti e ripetibili da consentire ai progettisti di utilizzare un materiale additivo con criteri paragonabili a quelli applicati alle leghe prodotte mediante laminazione, estrusione o forgiatura.
Il programma ha una durata tecnica massima prevista di circa venti mesi, ai quali possono aggiungersi tre mesi per la finalizzazione dei risultati e della documentazione. Il bando prevede inoltre una significativa compartecipazione industriale ai costi, a conferma del fatto che GOTHAAM è concepito come un’attività orientata alla transizione verso la produzione e non come un semplice studio accademico.
Che cosa significa sviluppare i “material allowables”
Il termine material allowables ha un significato preciso nell’ingegneria aerospaziale. Non indica il valore massimo ottenuto durante una prova di laboratorio, né il dato migliore riportato nella scheda tecnica di un materiale.
Gli allowables sono valori di progetto ottenuti attraverso campagne sperimentali e analisi statistiche che tengono conto della variabilità del materiale e del processo produttivo. Servono quindi a stabilire quali prestazioni un progettista possa ragionevolmente assumere quando dimensiona un componente.
Questo passaggio è particolarmente importante nella produzione additiva. Due componenti realizzati con la stessa lega nominale possono infatti mostrare differenze dovute alla macchina impiegata, alla configurazione dei laser, alla posizione nel volume di costruzione, alla qualità e al riutilizzo della polvere, ai parametri di scansione e al trattamento termico.
GOTHAAM vuole trasformare questi elementi da variabili difficili da controllare a parametri documentati e statisticamente caratterizzati.
Il programma prevede la generazione di allowables secondo i criteri del Metallic Materials Properties Development and Standardization, MMPDS, utilizzato nell’industria aeronautica statunitense per la caratterizzazione dei materiali metallici.
Il riferimento è l’alluminio 7075-T73
Il materiale prodotto mediante LPBF dovrà raggiungere prestazioni paragonabili a quelle dell’alluminio 7075-T73 secondo i requisiti della specifica AMS4141.
Il 7075 appartiene alla famiglia delle leghe di alluminio ad alta resistenza ed è utilizzato da decenni nelle strutture aeronautiche. La condizione T73 è particolarmente importante perché cerca un equilibrio tra elevate proprietà meccaniche e resistenza ai fenomeni di corrosione sotto tensione.
Per GOTHAAM non sarà quindi sufficiente ottenere un materiale resistente durante una semplice prova di trazione.
Il programma stabilisce come soglia una resistenza a trazione di almeno 66 ksi, pari a circa 455 MPa, con un obiettivo di 75 ksi, circa 517 MPa. Per il limite di snervamento a 0,2% sono indicati almeno 56 ksi, circa 386 MPa, con un obiettivo di 64 ksi, circa 441 MPa. L’allungamento minimo richiesto è del 6,5%, mentre l’obiettivo è raggiungere l’11%.
A questi valori si aggiungono requisiti riguardanti la resistenza alla corrosione intergranulare, la corrosione sotto tensione e la velocità di propagazione delle cricche per fatica. Il materiale dovrà fornire prestazioni equivalenti o superiori a quelle del 7075-T73 anche sotto questi aspetti.
È un punto centrale del progetto: una lega destinata a strutture aeronautiche non può essere valutata esclusivamente in base alla sua resistenza statica.
Il materiale individuato è Scalmalloy
La documentazione diffusa da Dyndrite, una delle aziende partecipanti al progetto, identifica il materiale scelto per GOTHAAM come Scalmalloy®, lega di alluminio contenente scandio sviluppata specificamente per la produzione additiva da APWORKS.
APWORKS fa parte del gruppo di aziende coinvolte nel progetto insieme ad Airbus Space & Defense.
Scalmalloy è stato concepito per combinare elevata resistenza, duttilità e comportamento alla corrosione con la processabilità mediante fusione laser a letto di polvere. APWORKS indica per il materiale valori nominali nell’ordine di 520 MPa di resistenza a trazione, 480 MPa di snervamento e circa il 13% di allungamento.
Questi valori spiegano l’interesse verso il materiale, ma GOTHAAM dovrà andare molto oltre una semplice conferma delle prestazioni nominali. Il progetto dovrà dimostrare attraverso una campagna sperimentale controllata che proprietà comparabili possano essere ottenute con continuità su macchine diverse e in differenti condizioni produttive.
È proprio questa capacità di passare dalla “buona stampa” realizzata su una singola macchina a un processo industriale qualificato e trasferibile a rappresentare uno degli aspetti più importanti del programma.
Tre classi di stampanti per verificare la scalabilità
Una caratteristica distintiva di GOTHAAM è la scelta di generare dati utilizzando tre classi dimensionali di sistemi LPBF: piccoli, medi e grandi.
Per il programma, le macchine di classe piccola devono disporre almeno di un volume di costruzione di 250 × 250 × 325 mm. Per la classe media sono previsti volumi di almeno 280 × 500 × 365 mm oppure 400 × 400 × 400 mm. Le macchine di grande formato devono raggiungere almeno 600 × 600 × 600 mm.
Le piattaforme delle classi media e grande dovranno utilizzare configurazioni multi-laser.
Dyndrite ha indicato tra i sistemi interessati macchine EOS come EOS M290 e M400/4, piattaforme Nikon SLM Solutions come SLM 280, SLM 500 e NXG/E, oltre al sistema M2 di GE/Colibrium Additive.
L’utilizzo di macchine differenti ha un obiettivo preciso: verificare se un processo qualificato possa essere trasferito da una piattaforma all’altra conservando caratteristiche equivalenti del materiale.
Oggi la sostituzione di una macchina, il trasferimento della produzione a un altro stabilimento o una modifica importante dei parametri può rendere necessaria una nuova e costosa campagna di qualificazione. Se GOTHAAM riuscirà a dimostrare un’effettiva equivalenza tra piattaforme, il risultato potrebbe ridurre uno degli ostacoli economici alla produzione additiva distribuita.
La prima fase: dalla polvere al trattamento termico
Il programma è strutturato in due fasi.
Nella Fase 0 verranno definite le fondamenta del processo. Il gruppo guidato da General Atomics Aeronautical Systems dovrà sviluppare una specifica per la materia prima, una specifica di processo e una specifica del materiale.
Particolare attenzione sarà dedicata alla polvere metallica. Verrà condotto uno studio sul suo riutilizzo per stabilire in che modo cicli successivi di lavorazione possano modificare composizione chimica, morfologia delle particelle, qualità dei componenti e proprietà meccaniche.
L’obiettivo è arrivare a una vera specifica di riutilizzo della polvere anziché affidarsi a criteri differenti per ciascun produttore o stabilimento.
Sarà inoltre studiato e ottimizzato il trattamento termico, elemento particolarmente importante per le leghe di alluminio ad alta resistenza.
Tutte queste informazioni confluiranno in un Process Control Document, o PCD, che descriverà il modo in cui il materiale dovrà essere prodotto.
Il problema delle zone di sovrapposizione tra laser
Le macchine LPBF di grande formato utilizzano più sorgenti laser per lavorare contemporaneamente diverse regioni del piano di costruzione.
Questa soluzione aumenta la produttività ma introduce una questione tecnica delicata: le zone nelle quali i campi di lavoro dei laser si incontrano.
GOTHAAM prevede specifiche analisi meccaniche e microstrutturali delle cosiddette laser-stitch zones. I ricercatori dovranno verificare che queste aree di raccordo abbiano caratteristiche equivalenti al resto del componente e stabilire criteri di ispezione capaci di individuare eventuali difetti.
È un aspetto determinante per la produzione di componenti di grandi dimensioni. La possibilità di utilizzare stampanti multi-laser senza introdurre discontinuità significative nelle proprietà del materiale è infatti una condizione necessaria per passare a strutture aerospaziali più grandi e a volumi produttivi superiori.
Una campagna di prove molto più ampia della semplice trazione
La caratterizzazione prevista da GOTHAAM comprende una serie estesa di prove meccaniche, fisiche e metallurgiche.
Saranno esaminati resistenza a trazione, compressione, taglio e carichi di contatto; comportamento a fatica e propagazione delle cricche; durezza, densità ed espansione termica; rugosità superficiale; microstruttura e distribuzione dei difetti.
Sono inoltre previste prove di corrosione intergranulare e corrosione sotto tensione, insieme a controlli volumetrici e mediante liquidi penetranti.
I campioni non verranno prelevati soltanto in una posizione favorevole della camera di costruzione. Il programma richiede di verificare l’uniformità delle proprietà lungo l’intera altezza disponibile, dal fondo alla parte superiore del volume di stampa.
Questo permetterà di stabilire se posizione, altezza di costruzione e dimensioni della macchina producano variazioni significative nel materiale.
La seconda fase: dimostrare l’equivalenza tra macchine
Una volta completata la Fase 0, il gruppo dovrà dimostrare di essere pronto a passare alla generazione dei dati statistici della Fase 1.
In questa parte del programma verranno prodotti i dataset necessari agli allowables C/D-Basis secondo MMPDS Volume II utilizzando le tre classi di stampanti.
Il confronto tra macchine diventerà quindi uno degli elementi centrali dell’esperimento.
L’obiettivo non è soltanto dimostrare che ciascuna stampante possa produrre un buon materiale, ma stabilire quantitativamente entro quali condizioni macchine differenti possano essere considerate equivalenti dal punto di vista del materiale prodotto.
Tutti i dati saranno inoltre predisposti per l’integrazione nel Workbench for Additive Materials utilizzato dalle strutture della difesa statunitense, in modo da mantenere tracciabilità della materia prima, dei parametri, delle operazioni di post-processing e dei risultati delle prove.
Dyndrite e la qualificazione controllata via software
Dyndrite avrà un ruolo specifico nella gestione della ripetibilità del processo attraverso la propria metodologia denominata SASSQUATCH, acronimo di Software Adapted Scan Strategy Qualification Assisting Thermal Control and Homogeneity.
L’idea è intervenire a livello software sui parametri che possono produrre differenze tra una macchina LPBF e un’altra.
La piattaforma di Dyndrite permette di controllare, tra gli altri elementi, l’assegnazione dei laser, la suddivisione delle aree di scansione, le zone di sovrapposizione, la potenza laser, la velocità di scansione e la coordinazione delle strategie in funzione delle caratteristiche della macchina.
Il problema che Dyndrite vuole affrontare è quello delle variabili nascoste: due sistemi LPBF possono utilizzare formalmente lo stesso materiale e parametri nominalmente simili, pur generando storie termiche differenti a causa della configurazione ottica, del flusso del gas, delle strategie di scansione o dell’interazione tra laser.
Controllare e documentare queste differenze potrebbe consentire di individuare quali variazioni richiedano effettivamente una nuova qualifica e quali possano invece essere gestite all’interno di una finestra di processo già validata.
Un consorzio che copre buona parte della catena industriale
General Atomics Aeronautical Systems coordinerà un gruppo particolarmente ampio.
Il team comprende Lockheed Martin, Northrop Grumman, Airbus Space & Defense con APWORKS, MIMO Technik, Quadrus Corporation, Hadrian Additive, Nikon AM, EOS America, Valimet, Toyal America, Equispheres, AMG Aluminum, Rio Tinto, Sunrise Metals, NioCorp, Dyndrite e Scot Forge.
La composizione del consorzio è significativa perché riunisce costruttori aerospaziali e della difesa, produttori di sistemi per additive manufacturing, specialisti della produzione LPBF, fornitori di polveri e materie prime, aziende metallurgiche e sviluppatori software.
La presenza contemporanea di General Atomics Aeronautical Systems, Lockheed Martin, Northrop Grumman e Airbus Space & Defense permette inoltre di affrontare il programma dal punto di vista dei potenziali utilizzatori finali e non soltanto da quello dei produttori di materiali o stampanti.
General Atomics ha già costruito una propria struttura dedicata all’additive manufacturing
La scelta di General Atomics Aeronautical Systems come capofila si inserisce in un percorso industriale iniziato diversi anni fa.
Nel 2022 GA-ASI ha formalizzato un Additive Design and Manufacturing Center of Excellence dedicato allo sviluppo e alla produzione di componenti additivi destinati ai propri velivoli senza pilota.
Già in quella fase General Atomics Aeronautical Systems dichiarava di avere qualificato oltre 300 componenti di volo realizzati attraverso differenti tecnologie additive.
La società ha inoltre lavorato con aziende specializzate come Conflux Technology per scambiatori di calore prodotti mediante additive manufacturing e con Divergent Technologies per l’integrazione di processi digitali di progettazione e produzione nelle proprie piattaforme aeronautiche.
GOTHAAM rappresenta quindi un’estensione di una strategia che non considera più la stampa 3D soltanto come metodo di prototipazione o produzione di componenti secondari, ma come una tecnologia da qualificare attraverso procedure compatibili con applicazioni strutturali.
Perché il progetto è importante per l’industrializzazione della produzione additiva
Il risultato più interessante di GOTHAAM potrebbe non essere un singolo componente.
Il valore del programma risiede nella costruzione di un metodo attraverso il quale materiale, polvere, macchina, software, trattamento termico, controlli non distruttivi e dati statistici possano essere integrati in un unico processo di qualificazione.
Se questa impostazione permetterà di ottenere proprietà equivalenti su sistemi LPBF differenti, un produttore potrà disporre di maggiore libertà nella scelta della macchina, nella distribuzione della produzione tra stabilimenti e nell’aumento della capacità produttiva.
Questo avrebbe conseguenze anche sulla catena di fornitura. Un componente qualificato non sarebbe necessariamente legato per tutta la sua vita produttiva a una sola macchina presente in un unico stabilimento, purché le piattaforme alternative possano dimostrare un’equivalenza controllata e documentata.
Per il settore aerospaziale e della difesa, dove molti componenti devono restare disponibili per decenni e le quantità possono essere insufficienti per giustificare grandi linee produttive tradizionali, è un tema di particolare interesse.
GOTHAAM cerca dunque di risolvere una questione meno visibile della stampa del componente stesso, ma essenziale per il passaggio dalla sperimentazione alla produzione: dimostrare, attraverso dati statisticamente solidi, che un materiale additivo possa essere progettato, prodotto e replicato con un livello di affidabilità compatibile con sistemi aerospaziali ad alte prestazioni.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
