La produzione additiva metallica è già entrata nella filiera aerospaziale attraverso componenti per motori, sistemi di propulsione, strutture alleggerite e parti caratterizzate da geometrie difficili da ottenere con i processi convenzionali. Nikon Advanced Manufacturing guarda però a una fase successiva: utilizzare l’additive manufacturing non soltanto per costruire sulla Terra componenti destinati allo spazio, ma anche come tecnologia produttiva installata direttamente nelle future infrastrutture orbitali.
La prospettiva delineata da Hamid Zarringhalam, CEO di Nikon Advanced Manufacturing, riguarda un modello nel quale stazioni spaziali commerciali e altre piattaforme potrebbero disporre di capacità produttive autonome, utilizzabili per realizzare utensili, ricambi, componenti personalizzati e, in prospettiva, strutture troppo grandi o delicate per essere trasportate all’interno di un lanciatore.
Non si tratta quindi soltanto di trasferire una stampante 3D in orbita. L’obiettivo di lungo periodo riguarda la costruzione di una vera infrastruttura produttiva digitale, nella quale progettazione, qualifica dei materiali, produzione, controllo dimensionale e gestione sicura dei file possano essere integrati in un processo industriale.
Per Nikon lo spazio è una conseguenza della strategia sull’advanced manufacturing
L’interesse di Nikon Corporation per il settore deve essere letto all’interno di una trasformazione più ampia dell’azienda giapponese. Nikon rimane conosciuta dal grande pubblico soprattutto per fotocamere, obiettivi e sistemi ottici, ma da diversi anni sta costruendo un’attività dedicata alla manifattura digitale.
Un passaggio centrale è stata l’acquisizione di SLM Solutions Group AG, società tedesca specializzata nella produzione di sistemi per additive manufacturing metallico mediante Laser Powder Bed Fusion. L’azienda opera oggi con il nome di Nikon SLM Solutions ed è uno degli elementi principali della strategia industriale del gruppo.
Nikon ha inoltre riorganizzato Morf3D, azienda statunitense specializzata nella produzione additiva per applicazioni aerospaziali e della difesa, trasformandola in Nikon AM Synergy. La società offre servizi che comprendono sviluppo dei processi, caratterizzazione dei materiali, simulazione termomeccanica, qualificazione, produzione e controllo dei componenti.
Queste attività fanno capo a Nikon Advanced Manufacturing, costituita negli Stati Uniti come centro globale della divisione Advanced Manufacturing del gruppo Nikon.
La scelta della California non è casuale. Il territorio concentra aziende e competenze collegate ai settori aerospaziale, difesa e spazio e permette a Nikon di operare vicino a numerosi potenziali utilizzatori delle proprie tecnologie.
Il Nikon AM Technology Center di Long Beach
Uno degli elementi centrali della strategia è il Nikon AM Technology Center di Long Beach, in California, una struttura di circa 90.000 piedi quadrati, equivalenti a oltre 8.000 metri quadrati.
All’interno del centro Nikon ha concentrato tecnologie di additive manufacturing, sviluppo dei processi, metallurgia, metrologia e controllo.
Nikon AM Synergy può seguire un componente dalla fase iniziale di progettazione fino alla produzione, affiancando alla stampa 3D metallica lavorazioni CNC a cinque assi, elettroerosione a filo, post-processing e attività di laboratorio.
Un ruolo importante è svolto anche dalle tecnologie di ispezione Nikon, comprese le soluzioni di tomografia computerizzata a raggi X. In applicazioni aerospaziali e spaziali non è infatti sufficiente produrre una geometria corretta: occorre verificare la presenza di porosità, difetti interni, discontinuità e altre caratteristiche che potrebbero compromettere l’affidabilità del componente.
È questo approccio integrato che permette di comprendere perché Nikon consideri lo spazio un mercato coerente con il proprio sviluppo industriale.
Le macchine Nikon SLM Solutions e la produzione di grandi componenti
Alla base della capacità produttiva metallica del gruppo si trova la tecnologia Laser Powder Bed Fusion di Nikon SLM Solutions.
Tra i sistemi più rappresentativi c’è la NXG XII 600, sviluppata per aumentare drasticamente la produttività rispetto alle generazioni precedenti di macchine LPBF.
Il sistema dispone di 12 laser da 1 kW che possono lavorare contemporaneamente e di un volume di costruzione di circa 600 × 600 × 600 millimetri. La configurazione permette di affrontare sia la produzione seriale sia componenti metallici di dimensioni che, per molto tempo, hanno rappresentato uno dei limiti pratici della tecnologia powder bed fusion.
Alla piattaforma si affianca la NXG 600E, caratterizzata da un’altezza di costruzione che può raggiungere circa 1,5 metri.
Dimensioni e produttività diventano particolarmente interessanti nello spazio, dove propulsori, camere di combustione, sistemi termici e parti strutturali possono beneficiare della possibilità di consolidare numerosi elementi in un unico componente.
Il vantaggio della stampa 3D nei sistemi di propulsione
Una delle applicazioni più consolidate dell’additive manufacturing nel settore spaziale riguarda i motori a razzo.
Le tecnologie LPBF permettono di realizzare camere di combustione e altri componenti dotati di canali di raffreddamento interni complessi, difficili da ottenere con lavorazioni meccaniche convenzionali.
Nikon SLM Solutions ha lavorato anche sul GRCop-42, una lega a base di rame, cromo e niobio sviluppata nell’ambito delle attività della NASA.
Il materiale combina elevata conducibilità termica e buone proprietà meccaniche ad alta temperatura, caratteristiche particolarmente adatte alle camere di combustione e ad altre parti dei sistemi propulsivi sottoposte a flussi termici intensi.
Nikon SLM Solutions ha sviluppato parametri di processo dedicati al GRCop-42 e ha studiato il trasferimento della produzione verso piattaforme più grandi e produttive come NXG XII 600 e NXG 600E.
Questo lavoro mostra come l’obiettivo non sia soltanto dimostrare che un materiale possa essere stampato, ma sviluppare processi sufficientemente stabili e ripetibili per passare alla produzione industriale.
Ridurre massa e numero di componenti
Nel settore spaziale il peso continua a essere uno dei parametri principali di progettazione. Ogni chilogrammo che deve raggiungere l’orbita richiede capacità di lancio e comporta costi.
L’additive manufacturing permette di utilizzare ottimizzazione topologica, strutture reticolari e geometrie interne che consentono di distribuire il materiale dove è necessario dal punto di vista meccanico.
Un altro vantaggio riguarda il consolidamento delle parti.
Un sistema tradizionalmente formato da numerosi componenti lavorati separatamente, saldati, imbullonati o brasati può in alcuni casi essere riprogettato come un elemento unico prodotto in additive manufacturing.
Meno giunzioni possono significare riduzione della massa, semplificazione della distinta base e diminuzione dei potenziali punti di guasto.
Sono caratteristiche che spiegano perché le aziende del settore spaziale abbiano adottato la produzione additiva con particolare rapidità rispetto ad altri comparti industriali.
Il passaggio successivo: produrre direttamente nello spazio
Per Nikon Advanced Manufacturing la possibilità più interessante emerge però quando si elimina almeno una parte del vincolo imposto dal lancio.
Qualunque oggetto costruito sulla Terra e portato in orbita deve entrare nella carenatura di un razzo e sopportare vibrazioni, accelerazioni e sollecitazioni generate durante il lancio.
Una struttura prodotta direttamente in orbita non sarebbe sottoposta agli stessi vincoli.
Questo potrebbe permettere di costruire elementi molto più grandi rispetto al volume disponibile all’interno di un lanciatore oppure strutture estremamente leggere, progettate esclusivamente per funzionare in microgravità.
La produzione additiva potrebbe essere utilizzata insieme a sistemi robotizzati di assemblaggio per realizzare travi, supporti, strutture per pannelli solari o altri elementi delle infrastrutture spaziali.
È un campo ancora in fase di sviluppo, ma non parte da zero.
Redwire dispone di una lunga esperienza nella produzione additiva a bordo della International Space Station, derivata anche dalle attività della precedente Made In Space, successivamente entrata nel gruppo Redwire.
La Additive Manufacturing Facility utilizzata sulla ISS ha prodotto nel tempo centinaia di oggetti, dimostrando la possibilità di inviare un progetto digitale dalla Terra e trasformarlo in un oggetto fisico nello spazio.
Le esperienze di Redwire sono indipendenti dal programma industriale di Nikon, ma rappresentano un precedente concreto per il modello produttivo descritto da Nikon Advanced Manufacturing.
Il magazzino potrebbe diventare un archivio digitale
Uno degli scenari più interessanti riguarda la gestione dei ricambi.
Una stazione spaziale deve disporre di componenti di sostituzione per affrontare guasti e interventi di manutenzione. Portare preventivamente in orbita tutti i ricambi potenzialmente necessari significa però occupare volume e utilizzare capacità di lancio.
La produzione additiva introduce un modello differente.
Una parte del magazzino fisico potrebbe trasformarsi in un inventario digitale di componenti qualificati. Il file potrebbe essere trasmesso alla piattaforma orbitale e prodotto quando necessario.
Per arrivare a questo livello non basta però disporre del modello CAD.
Occorrerebbe garantire che macchina, materiale, parametri di processo, orientamento di costruzione, post-processing e controllo qualità siano coerenti con quelli utilizzati durante la qualificazione del componente.
Diventa quindi essenziale il concetto di digital thread, cioè la continuità delle informazioni lungo l’intero ciclo di vita del prodotto.
A questo si aggiunge il problema della sicurezza informatica. Alterare anche in misura minima un file destinato alla produzione di un componente critico potrebbe modificarne geometria o caratteristiche meccaniche. La trasmissione e la gestione dei progetti qualificati dovrebbero quindi utilizzare sistemi di autenticazione, tracciabilità e protezione particolarmente rigorosi.
Le future stazioni spaziali commerciali aumentano l’interesse per la produzione locale
La prospettiva diventa più rilevante con lo sviluppo di infrastrutture commerciali in orbita terrestre bassa.
Società come Axiom Space stanno lavorando a piattaforme destinate a raccogliere una parte delle attività scientifiche, produttive e commerciali oggi concentrate sulla International Space Station.
Anche Vast sta sviluppando infrastrutture per la presenza umana commerciale nello spazio e dispone sulla Terra di proprie capacità di additive manufacturing dedicate alla produzione di hardware spaziale.
Axiom Space individua inoltre nella produzione in microgravità uno dei possibili servizi offerti dalle infrastrutture orbitali, includendo applicazioni nei semiconduttori, materiali avanzati, fibre ottiche, biotecnologie e bioprinting.
Questo settore della produzione spaziale è in parte differente dalla realizzazione di ricambi o strutture proposta da Nikon, ma entrambi i modelli richiedono la trasformazione delle stazioni spaziali da semplici destinazioni operative a veri centri industriali.
Produrre in microgravità introduce nuovi problemi tecnici
Trasferire il metal additive manufacturing nello spazio è comunque molto più complesso che installare una macchina industriale terrestre all’interno di una stazione.
Le tecnologie powder bed fusion lavorano normalmente con polveri metalliche fini che sulla Terra vengono mantenute e distribuite sfruttando anche la gravità. In microgravità la gestione della polvere richiederebbe sistemi completamente differenti di contenimento e movimentazione.
Devono essere affrontati anche il consumo energetico, la gestione termica, la protezione dell’equipaggio, il controllo delle particelle, l’atmosfera di processo e la sicurezza antincendio.
Una parte importante dei componenti metallici prodotti con LPBF richiede inoltre trattamenti successivi alla stampa: rimozione dei supporti, trattamenti termici, eventualmente Hot Isostatic Pressing, lavorazioni meccaniche delle superfici funzionali e controlli non distruttivi.
Una vera fabbrica orbitale dovrebbe quindi integrare progressivamente molte tecnologie che sulla Terra occupano reparti differenti di uno stabilimento.
Per questo la visione di Nikon deve essere considerata un percorso industriale di lungo periodo, non l’annuncio di una stampante metallica pronta a essere installata in orbita.
Nikon può portare nello spazio competenze che vanno oltre la stampante
Il possibile vantaggio competitivo di Nikon Corporation consiste proprio nella combinazione di tecnologie differenti.
Nikon SLM Solutions porta le competenze nella fusione laser a letto di polvere.
Nikon AM Synergy integra progettazione, sviluppo dei parametri, qualifica e produzione.
Nikon dispone inoltre di sistemi DED, lavorazioni laser, metrologia e tomografia computerizzata a raggi X.
Questa combinazione è significativa perché la futura produzione autonoma nello spazio non richiederà semplicemente macchine capaci di depositare materiale. Serviranno sistemi in grado di produrre, controllare e certificare il risultato con un intervento umano ridotto.
Automazione, sensoristica e controllo qualità potrebbero quindi avere un peso equivalente a quello della tecnologia di stampa.
Dalla produzione terrestre a una manifattura distribuita
La visione presentata da Hamid Zarringhalam porta infine a un concetto che supera il settore spaziale.
Se un componente qualificato può essere conservato sotto forma di dati e prodotto nel punto in cui serve, la supply chain assume una struttura diversa da quella tradizionale.
Lo stesso modello può essere applicato a basi militari, navi, infrastrutture energetiche, località isolate e stabilimenti industriali.
Lo spazio rappresenta il caso limite: un ambiente nel quale i costi e i tempi di approvvigionamento rendono particolarmente evidente il valore della produzione locale.
Per Nikon Advanced Manufacturing, quindi, le future fabbriche orbitali non costituiscono un’attività separata dalla strategia terrestre. Sono una possibile estensione di un modello nel quale produzione additiva, progettazione digitale, automazione e controllo metrologico diventano parti di un’unica infrastruttura.
Nel breve periodo, la crescita continuerà soprattutto attraverso componenti prodotti sulla Terra per razzi, satelliti e sistemi aerospaziali. Nel lungo periodo, se le stazioni commerciali e le missioni di lunga durata richiederanno una maggiore autonomia produttiva, la possibilità di trasformare direttamente in orbita un progetto digitale in un componente fisico potrebbe diventare uno degli elementi fondamentali dell’infrastruttura spaziale.
Ed è su questa prospettiva che Nikon sta preparando oggi tecnologie, competenze e capacità produttive.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
