HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH ha concluso il progetto di ricerca 3D-FiberTrain, dedicato allo sviluppo di una catena produttiva per componenti ferroviari di grandi dimensioni basata sulla combinazione di stampa 3D, rinforzo continuo in fibra e lavorazione meccanica automatizzata. Il progetto si è svolto da settembre 2023 a giugno 2026 e ha coinvolto, accanto a HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, il Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, il Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS, Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und -verarbeitung mbH e, come partner associato, Siemens Mobility GmbH.
L’obiettivo non era limitarsi alla produzione di un prototipo mediante additive manufacturing, ma verificare se fosse possibile costruire una vera catena industriale capace di produrre parti esterne di grandi dimensioni per veicoli ferroviari, riducendo il ricorso agli stampi e mantenendo caratteristiche meccaniche, precisione dimensionale e qualità superficiale compatibili con le esigenze del settore.
Il problema degli stampi nella produzione ferroviaria
Molti componenti di rivestimento esterno dei treni vengono realizzati con materiali compositi termoindurenti rinforzati con fibre. Tra i procedimenti utilizzati figurano la laminazione manuale e l’infusione sotto vuoto.
Si tratta di tecnologie consolidate, ma la loro convenienza dipende anche dal numero di componenti da produrre. Prima di iniziare la fabbricazione è necessario costruire modelli, stampi e attrezzature dedicate. L’investimento può essere ammortizzato su volumi elevati, mentre diventa più pesante nel caso di piccole e medie serie, prototipi, varianti di modello o ricambi destinati a flotte relativamente limitate.
A questo si aggiungono i tempi richiesti per la preparazione degli utensili e la quantità di operazioni manuali associate ad alcuni processi tradizionali.
HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, insieme a Fraunhofer IWU, Fraunhofer IMWS, Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und -verarbeitung mbH e Siemens Mobility GmbH, ha quindi lavorato su un approccio nel quale una parte consistente dell’attrezzatura fisica viene sostituita da una catena produttiva digitale.
Il principio è semplice: modificando il modello digitale del componente è possibile intervenire sul processo produttivo senza dover necessariamente costruire un nuovo stampo per ogni variante.
Tre tecnologie integrate nella stessa catena produttiva
Il progetto 3D-FiberTrain combina tre fasi principali.
La prima è la stampa 3D di grande formato mediante estrusione di materiale in granuli. Rispetto alle comuni stampanti 3D alimentate con filamento, i sistemi industriali a pellet possono depositare quantità molto maggiori di materiale e sono quindi più adatti alla produzione di strutture con dimensioni nell’ordine di quelle richieste dall’industria ferroviaria.
La geometria di base del componente viene costruita mediante deposizione progressiva del materiale termoplastico. In questo modo possono essere realizzate forme complesse senza ricorrere a uno stampo tradizionale dedicato.
La seconda fase riguarda il rinforzo mediante nastri continui in fibra, depositati attraverso un processo di 3D tape laying. Le fibre non devono necessariamente essere distribuite uniformemente sull’intero componente: possono essere collocate nelle zone sottoposte alle sollecitazioni maggiori e orientate seguendo i percorsi principali dei carichi.
È un aspetto importante perché il materiale stampato costituisce la geometria generale della struttura, mentre il rinforzo continuo contribuisce ad aumentare le prestazioni meccaniche nelle aree in cui risulta necessario.
La terza fase è costituita dalla fresatura automatizzata. La stampa additiva consente di ottenere la forma generale con grande libertà geometrica, ma alcune superfici, interfacce e punti di montaggio richiedono tolleranze e finiture superiori a quelle ottenibili direttamente con la deposizione del materiale.
La lavorazione sottrattiva viene quindi utilizzata per portare il pezzo alle dimensioni definitive, realizzare le superfici funzionali e raggiungere la qualità richiesta nelle aree destinate all’assemblaggio.
Il risultato è una catena ibrida: produzione additiva per costruire rapidamente grandi geometrie, rinforzo continuo per gestire le sollecitazioni strutturali e lavorazione meccanica per garantire precisione.
Un materiale sviluppato tenendo conto dei requisiti ferroviari
Uno degli aspetti più interessanti del progetto riguarda il materiale impiegato nei dimostratori. Fraunhofer IWU, insieme agli altri partner del progetto coordinato da HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, ha lavorato con un policarbonato rinforzato con fibra di vetro, selezionato e modificato per rispondere ai requisiti di protezione antincendio previsti per le applicazioni ferroviarie.
Questa scelta rende il problema più complesso rispetto alla semplice stampa di un materiale termoplastico commerciale. L’aggiunta di sistemi ritardanti di fiamma modifica infatti il comportamento del materiale durante il processo e deve essere presa in considerazione quando si definiscono temperature, velocità di deposizione e strategie di stampa.
In componenti di grandi dimensioni, inoltre, gli effetti termici diventano particolarmente importanti. Durante il raffreddamento il materiale può contrarsi in maniera non uniforme, con il rischio di produrre deformazioni, tensioni interne o separazioni tra strati.
Per affrontare questi problemi, nel progetto 3D-FiberTrain sono state utilizzate anche simulazioni del processo produttivo, finalizzate a prevedere fenomeni come deformazioni termiche e delaminazioni prima della realizzazione del componente. L’obiettivo è limitare gli errori di stampa, particolarmente costosi quando si lavora con pezzi di grandi dimensioni che richiedono molto materiale e tempi macchina significativi.
Le fibre vengono collocate dove servono
Un altro elemento tecnico riguarda l’ottimizzazione dei nastri di rinforzo.
Il principio del 3D tape laying utilizzato da HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, Fraunhofer IWU, Fraunhofer IMWS e dagli altri partner consiste nell’utilizzare le fibre continue in funzione delle reali sollecitazioni della struttura.
Le metodologie di ottimizzazione strutturale permettono di determinare dove il rinforzo sia necessario e in quale direzione debba essere disposto. In questo modo non è necessario trasformare l’intero componente in una struttura pesantemente rinforzata.
Il progetto ha cercato anche di ridurre il numero dei nastri fino alla quantità necessaria dal punto di vista meccanico. Il vantaggio riguarda sia il consumo di materiale sia i tempi di deposizione.
Questa impostazione rappresenta una differenza significativa rispetto all’idea più semplice di stampare un grande componente aumentando uniformemente spessori e quantità di materiale per ottenere la resistenza richiesta.
Il banco di prova: la parte anteriore dell’ICE 3neo
Per verificare la tecnologia su componenti rappresentativi di un’applicazione reale, il consorzio guidato da HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH ha utilizzato come riferimento il Velaro MultiSystem di Siemens Mobility GmbH, impiegato da Deutsche Bahn come ICE 3neo della serie 408.
La piattaforma Velaro MS di Siemens Mobility GmbH è progettata per servizi ferroviari ad alta velocità e può raggiungere velocità fino a 320 km/h.
Il progetto 3D-FiberTrain si è concentrato su due dimostratori di grandi dimensioni: la sezione del muso del treno e la gonna frontale inferiore.
La scelta è significativa. Non si tratta di piccoli elementi interni, supporti o componenti nascosti, settori nei quali la stampa 3D è già utilizzata con maggiore facilità. I dimostratori appartengono alla parte esterna del veicolo, dove dimensioni, geometria, qualità superficiale, integrazione con le strutture circostanti e caratteristiche dei materiali pongono vincoli più impegnativi.
Il progetto non implica che i componenti stampati siano già entrati nella produzione di serie degli ICE 3neo di Siemens Mobility GmbH. I pezzi hanno avuto la funzione di dimostratori tecnologici attraverso i quali verificare la fattibilità della catena produttiva.
Perché la stampa senza stampi interessa il settore ferroviario
Il vantaggio potenziale diventa particolarmente evidente quando si considerano le caratteristiche economiche dell’industria ferroviaria.
Un’automobile può essere prodotta in centinaia di migliaia di esemplari. Un determinato modello di treno viene invece realizzato spesso in quantità molto inferiori e può presentare configurazioni diverse in funzione dell’operatore, della rete ferroviaria o del Paese di destinazione.
In questo contesto, il costo di uno stampo deve essere distribuito su un numero di componenti relativamente ridotto.
La produzione additiva modifica questa relazione economica. Non elimina tutti i costi industriali e non rende automaticamente conveniente la stampa 3D per qualsiasi componente, ma riduce il peso economico delle attrezzature specifiche.
Per HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, Fraunhofer IWU, Fraunhofer IMWS, Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und -verarbeitung mbH e Siemens Mobility GmbH, uno dei campi di interesse è quindi rappresentato dalle piccole e medie serie, nelle quali la flessibilità produttiva può compensare la minore velocità della stampa rispetto ad alcuni processi destinati alla produzione di massa.
Modificare un pezzo senza rifare lo stampo
La stessa caratteristica può essere utile durante lo sviluppo di un nuovo veicolo.
Con una catena fortemente digitalizzata, una modifica alla geometria può essere trasferita dal modello CAD al processo produttivo intervenendo sui dati di stampa, sulle traiettorie di deposizione dei rinforzi e sulle operazioni di fresatura.
Con i processi basati su grandi stampi dedicati, una modifica significativa della forma può invece richiedere interventi sull’attrezzatura o la costruzione di un nuovo utensile.
Questa differenza può diventare importante anche molti anni dopo la costruzione iniziale di una flotta. Il settore ferroviario utilizza veicoli con cicli di vita molto lunghi e può essere necessario produrre ricambi quando gli utensili originari non sono più disponibili o quando le quantità richieste non giustificano la costruzione di nuovi stampi.
Una tecnologia basata maggiormente su modelli digitali potrebbe quindi trovare applicazione non soltanto nella costruzione di nuovi treni, ma anche nella gestione delle varianti e, dopo le necessarie procedure di qualificazione, nella produzione di determinate categorie di ricambi.
Il ruolo dei materiali termoplastici e il tema del riciclo
Il progetto 3D-FiberTrain si distingue anche per l’impiego di una matrice termoplastica.
Nei compositi termoindurenti tradizionali, il processo di reticolazione trasforma la matrice in un materiale che non può essere semplicemente rifuso e rimodellato. I termoplastici, al contrario, possono essere riscaldati nuovamente e presentano quindi prospettive differenti dal punto di vista del recupero del materiale.
Questo non significa che il riciclo di un grande componente ferroviario rinforzato con fibre sia un processo automatico. La presenza di fibre, additivi, sistemi ritardanti di fiamma e possibili contaminazioni richiede processi specifici e una valutazione dell’effettiva qualità del materiale recuperato.
Proprio per questo Fraunhofer IWU indica come uno dei passi successivi della ricerca lo studio dell’impiego diretto di materiale riciclato nei processi di stampa 3D di grande formato.
La possibilità di trasformare vecchi componenti termoplastici in materia prima destinata a nuove lavorazioni rappresenterebbe un passaggio ulteriore verso una gestione circolare del materiale, ma richiederà la verifica delle proprietà meccaniche e delle prestazioni dopo diversi cicli di lavorazione.
Una collaborazione tra industria ferroviaria, materiali e ricerca produttiva
Nel progetto 3D-FiberTrain, HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH ha assunto il coordinamento del consorzio e si è occupata della definizione dei requisiti, delle specifiche di progettazione e della validazione strutturale dei componenti dimostrativi.
Il Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, attraverso anche le proprie competenze nella produzione additiva di grande formato e nella lavorazione dei materiali polimerici, ha contribuito allo sviluppo della catena tecnologica.
Il Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS dispone di competenze specifiche nella caratterizzazione e valutazione dei compositi rinforzati con fibre, comprese simulazione, analisi del comportamento meccanico e studio dei fenomeni di danneggiamento.
Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und -verarbeitung mbH porta nel consorzio l’esperienza industriale nella lavorazione di materie plastiche e nella produzione di componenti destinati anche al settore dei veicoli ferroviari.
Siemens Mobility GmbH, coinvolta come partner associato, ha fornito il riferimento applicativo rappresentato dalla piattaforma Velaro MultiSystem e dall’ICE 3neo.
Il progetto è stato finanziato nell’ambito dei programmi del Ministero federale tedesco dell’Economia e dell’Energia, con finanziamento dell’Unione europea.
Dal dimostratore alla produzione industriale
La conclusione di 3D-FiberTrain non equivale all’introduzione immediata della tecnologia nella produzione di serie. Il passaggio da un dimostratore a un componente installato su un treno commerciale comporta verifiche, qualificazioni dei materiali, prove strutturali, controllo della ripetibilità del processo e rispetto delle norme ferroviarie applicabili.
Il risultato del progetto è soprattutto la dimostrazione che stampa 3D di grande formato, rinforzo mediante fibre continue e lavorazione meccanica possono essere inseriti nella stessa catena produttiva per realizzare componenti ferroviari termoplastici di dimensioni considerevoli.
Per HÖRMANN Vehicle Engineering GmbH, Fraunhofer IWU, Fraunhofer IMWS, Lakowa Gesellschaft für Kunststoffbe- und -verarbeitung mbH e Siemens Mobility GmbH, il punto di maggiore interesse non è quindi la stampa 3D considerata isolatamente, ma l’integrazione di processi differenti in un sistema produttivo capace di partire dal modello digitale e arrivare a un componente finito.
Se questa impostazione supererà anche le successive fasi di industrializzazione e qualificazione, potrebbe trovare uno spazio preciso nella costruzione ferroviaria: componenti di grandi dimensioni, geometrie complesse, volumi produttivi limitati o intermedi e applicazioni nelle quali il costo e il tempo necessario per costruire gli stampi incidono in modo consistente sull’economia complessiva del pezzo.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
