Un V8 prodotto senza stampi e senza fusione tradizionale
Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions hanno realizzato un blocco motore V8 completo mediante produzione additiva metallica, costruendolo come un unico pezzo in lega di alluminio AlSi10Mg. Il componente è stato prodotto presso il Bosch Additive Solution Center di Norimberga, in Germania, utilizzando una NXG XII 600 di Nikon SLM Solutions, una macchina progettata per la fabbricazione additiva di componenti metallici di grandi dimensioni e per applicazioni industriali ad alta produttività.
Il progetto è stato sviluppato con il contributo di Bosch Industry Consulting e ha un obiettivo che va oltre la realizzazione del singolo componente. Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions vogliono verificare quanto la produzione additiva possa essere trasferita dalle attività di prototipazione e sviluppo alle normali strutture produttive della filiera automobilistica, comprese le aziende Tier 1 e Tier 2 che realizzano una parte consistente dei componenti utilizzati dai costruttori di veicoli.
Il blocco V8 va quindi interpretato come un dimostratore industriale. Non si tratta dell’annuncio di un motore destinato alla produzione di serie, né della certificazione di un blocco motore pronto per essere installato su un’automobile. Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions hanno scelto una geometria complessa e riconoscibile proprio per mostrare quali dimensioni e quale livello di integrazione siano oggi raggiungibili con sistemi di produzione additiva metallica concepiti per l’ambiente industriale.
La NXG XII 600 e i dodici laser da un kilowatt
Il componente è stato costruito con una NXG XII 600 di Nikon SLM Solutions. La macchina dispone di un volume di costruzione di 600 × 600 × 600 millimetri e utilizza dodici laser da 1 kW che operano sulla stessa area di lavoro.
La presenza di più sorgenti laser è uno degli elementi che differenziano sistemi industriali di questo tipo dalle stampanti metalliche utilizzate soprattutto per componenti relativamente piccoli. Nella tecnologia Laser Powder Bed Fusion, il componente viene costruito progressivamente fondendo con il laser zone selezionate di sottilissimi strati di polvere metallica. Terminato uno strato, il sistema deposita nuovo materiale e il processo viene ripetuto migliaia di volte fino al completamento della geometria tridimensionale.
Aumentare il numero di laser permette di suddividere il lavoro tra più sorgenti e ridurre i tempi necessari per costruire componenti di grandi dimensioni. Nikon SLM Solutions ha progettato la NXG XII 600 proprio per affrontare uno dei principali limiti economici della produzione additiva metallica: il tempo macchina necessario per produrre grandi volumi di materiale.
La macchina utilizza inoltre un cilindro di costruzione sostituibile, concepito per limitare i periodi nei quali il sistema rimane fermo tra una produzione e quella successiva, e dispone di soluzioni per la gestione della polvere metallica in ambiente chiuso. Sono caratteristiche importanti quando una tecnologia passa dal laboratorio a un reparto produttivo, dove produttività, sicurezza dell’operatore, ripetibilità e gestione dei materiali diventano importanti quanto la capacità di realizzare geometrie complesse.
La NXG XII 600 installata da Robert Bosch GmbH a Norimberga ha anche un significato particolare nella storia industriale di Nikon SLM Solutions: la macchina consegnata a Bosch nel 2024 è stata il millesimo sistema prodotto dall’azienda e la cinquantesima NXG XII 600.
Perché Bosch ha scelto l’AlSi10Mg
Il blocco V8 è stato prodotto in AlSi10Mg, una lega di alluminio contenente circa il 10% di silicio e una percentuale minore di magnesio. È una delle leghe più utilizzate nella produzione additiva metallica e trova applicazioni nei settori automobilistico, aerospaziale e industriale.
La combinazione tra massa contenuta, caratteristiche meccaniche, comportamento termico e lavorabilità rende l’AlSi10Mg interessante per componenti nei quali è necessario trovare un equilibrio fra peso, resistenza e capacità di dissipare calore.
È inoltre una lega già familiare all’industria attraverso i processi di fusione. Questo rende particolarmente significativo il confronto fra produzione convenzionale e produzione additiva: un materiale appartenente a una famiglia già conosciuta può essere utilizzato attraverso una catena produttiva completamente diversa.
Robert Bosch GmbH utilizza già AlSi10Mg tra i materiali lavorati dal Bosch Additive Solution Center, insieme a diversi acciai e materiali polimerici. Il centro di Norimberga non si limita alla stampa: offre anche ottimizzazione dei componenti per la produzione additiva, lavorazioni meccaniche successive, controllo qualità, scansione tridimensionale e reverse engineering.
Il vero confronto è con la fusione
Un blocco motore tradizionale viene normalmente progettato intorno alle caratteristiche dei processi di fusione. Sono necessari stampi, anime e attrezzature che devono essere progettati, costruiti, verificati ed eventualmente modificati.
Questa catena produttiva è estremamente efficiente quando si devono fabbricare quantità elevate di componenti identici. Presenta però costi iniziali e tempi di preparazione significativi. Una modifica al progetto può richiedere interventi sulle attrezzature e, nel caso di geometrie complesse, può rendere necessaria la produzione di nuove parti dello stampo.
La produzione additiva cambia il rapporto fra progetto e attrezzatura. Il componente deriva direttamente dal modello digitale e non richiede uno stampo specifico per ottenere la geometria principale.
Per Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions questo significa poter passare più rapidamente da una variante progettuale alla successiva. Nel caso di produzioni limitate, componenti speciali, motorsport, attività di sviluppo o parti con geometrie molto complesse, l’eliminazione delle attrezzature può modificare sensibilmente l’equilibrio economico dell’intero processo.
Questo non significa che la stampa 3D sia destinata a sostituire indiscriminatamente la fusione. Per milioni di componenti identici relativamente semplici, la produzione convenzionale mantiene vantaggi difficili da eguagliare. Il terreno nel quale Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions stanno cercando spazio per la produzione additiva è quello in cui complessità geometrica, quantità prodotte, personalizzazione e valore del componente giustificano il maggior costo del processo additivo.
Canali di raffreddamento che non devono seguire le regole della fonderia
Uno degli aspetti più interessanti riguarda ciò che può essere progettato all’interno del componente.
Nella produzione tradizionale, i canali interni di un blocco motore devono essere compatibili con stampi, anime e successive lavorazioni. Il progettista non è quindi completamente libero di scegliere la geometria ideale dal punto di vista termico.
Con la produzione additiva, Bosch e Nikon SLM Solutions possono invece studiare percorsi di raffreddamento tridimensionali più vicini alle zone nelle quali viene prodotto il calore, a condizione che la geometria rimanga compatibile con il processo di stampa, con la rimozione della polvere e con le successive operazioni di finitura.
È un cambiamento importante: la geometria può essere progettata partendo maggiormente dalla funzione desiderata e meno dalle limitazioni imposte dalla costruzione dello stampo.
Lo stesso principio può essere applicato alla distribuzione del materiale. Attraverso l’ottimizzazione topologica, il progettista può mantenere materiale nelle zone sottoposte alle sollecitazioni maggiori e ridurlo dove il contributo strutturale è minore. In una produzione convenzionale, alcune di queste forme potrebbero risultare troppo difficili o costose da realizzare; nella produzione additiva possono diventare parte della geometria originaria.
Da molti componenti a un componente integrato
Un’altra possibilità studiata da Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions riguarda il consolidamento dei componenti.
Un sistema meccanico tradizionale può essere formato da diversi pezzi prodotti separatamente e successivamente uniti tramite bulloni, saldature, brasature, guarnizioni o altri sistemi di assemblaggio. La produzione additiva permette in alcuni casi di ridisegnare l’insieme e incorporare più funzioni nello stesso componente.
Ridurre il numero delle parti significa potenzialmente ridurre anche operazioni di assemblaggio, punti di giunzione, elementi di fissaggio e alcune possibili fonti di guasto. Il vantaggio, però, deve essere valutato sull’intero ciclo produttivo: un componente integrato può diventare più difficile da ispezionare, riparare o sostituire.
Il valore industriale della progettazione additiva non consiste quindi nel produrre con una stampante una copia esatta del componente concepito per la fusione. I risultati più interessanti arrivano quando Robert Bosch GmbH, Bosch Industry Consulting e Nikon SLM Solutions possono ripensare il componente sulla base delle possibilità e dei limiti specifici del processo additivo.
Stampare è solo una parte della produzione
Il progetto V8 mette in evidenza anche un aspetto spesso trascurato quando si parla di stampa 3D metallica: il pezzo che esce dalla macchina non coincide necessariamente con il componente finito.
Dopo la costruzione possono essere necessarie la rimozione della polvere residua, la separazione dalla piattaforma di costruzione, l’eliminazione delle strutture di supporto, trattamenti termici e lavorazioni meccaniche delle superfici che richiedono tolleranze o finiture incompatibili con lo stato superficiale lasciato dalla stampa.
Nel caso di un vero componente motoristico, superfici come sedi dei cilindri, piani di accoppiamento, supporti dell’albero motore, filettature e altri elementi funzionali richiederebbero lavorazioni e controlli specifici.
Il Bosch Additive Solution Center dispone proprio di competenze che comprendono produzione additiva, lavorazione meccanica, controllo qualità, scansione tridimensionale e reverse engineering. Per Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions, industrializzare la produzione additiva significa quindi sviluppare una catena completa e non semplicemente installare una macchina.
Il problema decisivo è la ripetibilità
Produrre una volta un componente complesso dimostra che la geometria è realizzabile. Produrlo centinaia o migliaia di volte mantenendo le stesse caratteristiche pone un problema diverso.
Per passare alla produzione industriale occorre controllare la qualità della polvere, i parametri dei laser, la distribuzione termica durante il processo, l’atmosfera nella camera di costruzione, l’orientamento del componente, le strutture di supporto e numerose altre variabili.
Con dodici laser che lavorano sulla stessa costruzione è inoltre necessario garantire uniformità fra le diverse zone interessate dalle singole sorgenti.
Per questo Nikon SLM Solutions presenta la collaborazione con Robert Bosch GmbH come un rapporto che comprende non solo l’hardware, ma anche sviluppo dei materiali, parametri di processo, software, preparazione dei dati, progettazione per additive manufacturing, controllo qualità e sviluppo delle applicazioni.
È questo passaggio dalla semplice capacità di produrre un pezzo alla capacità di ripeterne la produzione in condizioni controllate a determinare l’effettiva utilità industriale della tecnologia.
Bosch guarda oltre il motore a combustione
Il fatto che il dimostratore abbia la forma di un blocco V8 non significa che Robert Bosch GmbH stia concentrando la propria strategia di produzione additiva esclusivamente sui motori a combustione interna.
Quando Robert Bosch GmbH ha acquisito la NXG XII 600 di Nikon SLM Solutions per il centro di Norimberga, l’azienda ha indicato fra le aree di applicazione i componenti per powertrain, sistemi legati all’idrogeno e azionamenti elettrici.
Le caratteristiche che rendono interessante la produzione additiva per un blocco motore — gestione termica, riduzione del peso, integrazione di canali interni e consolidamento di componenti — possono infatti essere utilizzate anche per scambiatori di calore, alloggiamenti, componenti per celle a combustibile, sistemi elettrici di potenza e parti strutturali.
Il V8 è quindi soprattutto un banco di prova comprensibile per l’industria automobilistica: se un sistema produttivo riesce a gestire in un solo ciclo un oggetto metallico di queste dimensioni e complessità, le stesse competenze possono essere trasferite ad applicazioni che non hanno alcun rapporto diretto con un motore a otto cilindri.
La sfida è portare la stampa 3D nella filiera automobilistica
Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions attribuiscono particolare importanza alla struttura della supply chain automobilistica.
Una parte consistente del valore di un’automobile viene prodotta fuori dagli stabilimenti del costruttore finale. Fornitori Tier 1 e Tier 2 realizzano sistemi, sottosistemi e componenti che vengono successivamente integrati dai produttori di automobili.
Se la produzione additiva rimane confinata ai centri di ricerca dei grandi costruttori, la sua diffusione industriale rimane necessariamente limitata. Nikon SLM Solutions punta quindi a inserire sistemi come la NXG XII 600 nelle aziende che fanno parte della catena produttiva vera e propria.
La collaborazione con Robert Bosch GmbH assume particolare rilievo proprio perché Bosch è uno dei grandi fornitori mondiali dell’industria automobilistica e dispone contemporaneamente di competenze di progettazione, produzione e automazione.
Il progetto V8 permette quindi a Nikon SLM Solutions di mostrare la propria tecnologia all’interno di un contesto industriale vicino a quello nel quale potrebbe essere utilizzata per una produzione effettiva.
Un dimostratore che pone una domanda economica
La questione aperta non è più soltanto se sia tecnicamente possibile stampare in metallo componenti automobilistici complessi. Il dimostratore di Robert Bosch GmbH e Nikon SLM Solutions mostra che le dimensioni raggiungibili, il numero di laser disponibili e la produttività delle macchine stanno aumentando.
La domanda decisiva diventa economica: per quali componenti la combinazione di assenza di stampi, rapidità delle modifiche, riduzione del numero delle parti, alleggerimento e libertà geometrica riesce a compensare il costo della macchina, della polvere metallica, del tempo di costruzione e delle lavorazioni successive?
La risposta sarà diversa da componente a componente.
Per una parte semplice prodotta in centinaia di migliaia di esemplari, la fusione o altre lavorazioni convenzionali continueranno ad avere una logica molto solida. Per componenti complessi, serie limitate, applicazioni ad alte prestazioni o progetti nei quali integrare più funzioni consente di eliminare lavorazioni e assemblaggi, il calcolo può invece cambiare.
Ed è proprio su questo confine che si colloca il blocco V8 prodotto a Norimberga.
Robert Bosch GmbH, Bosch Industry Consulting e Nikon SLM Solutions non hanno dimostrato che ogni motore del futuro verrà stampato in 3D. Hanno mostrato qualcosa di più concreto: le macchine per additive manufacturing metallico stanno raggiungendo dimensioni e produttività che permettono all’industria automobilistica di valutare componenti che fino a pochi anni fa sarebbero stati considerati poco compatibili con questo metodo produttivo.
Il passo successivo sarà stabilire in quali applicazioni questa possibilità tecnica possa diventare una soluzione industriale ripetibile e economicamente sostenibile.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
