Come l’approccio convergente di ePris dimostra il potenziale della stampa 3D DED su larga scala
Introduzione: perché la DED su larga area è un tema strategico
La tecnologia di Directed Energy Deposition (DED) è una delle vie più promettenti per produrre o riparare componenti metallici di grandi dimensioni, superando i limiti di volume di costruzione tipici di molte macchine di stampa 3D metallica in letto di polvere. In questo contesto si inserisce il lavoro di ePris, che propone un approccio “convergente” per dimostrare come la DED su larga area possa diventare una soluzione industriale concreta, e non solo un tema di ricerca.
Cos’è la DED e perché è adatta a componenti grandi
La Directed Energy Deposition utilizza una fonte di energia concentrata – spesso un laser ad alta potenza, ma anche fascio di elettroni o arco elettrico – per fondere materiale metallico (sotto forma di filo o polvere) depositato su un substrato o su un pezzo preesistente. L’utensile attivo non è un letto di polvere chiuso in un volume macchina rigido, ma una testa di deposizione che può muoversi nello spazio, talvolta montata su robot antropomorfi o su sistemi gantry di grandi dimensioni, il che rende la DED particolarmente adatta per:
- costruire componenti strutturali al di sopra del metro di lunghezza o diametro;
- ricostruire zone usurate su pezzi ad alto valore (turbine, stampi, ugelli, pale);
- aggiungere materiale in modo localizzato su strutture esistenti, con logica di “add-on”.
Esempi già noti includono il rivestimento di ugelli di razzo per la NASA realizzati tramite DED da DM3D Technology, con componenti alti oltre tre metri e tonnellaggi nell’ordine delle due tonnellate, che hanno mostrato come sia possibile ridurre i tempi di lavorazione rispetto a metodi tradizionali. Altre realtà industriali, come Meltio, stanno spingendo la variante wire-laser DED verso la produzione quasi di serie, sfruttando il filo metallico per ridurre sprechi di materiale e semplificare sicurezza e gestione rispetto ai sistemi a polvere.
Il concetto di “approccio convergente” secondo ePris
Il cuore della proposta di ePris è un approccio che mette insieme più livelli:
- progettazione di sistema (architetture di macchina e configurazioni testa-sorgente-substrato);
- sviluppo di materiali specifici per DED, con attenzione a reologia della polvere, stabilità del bagno fuso e microstruttura finale;
- modellazione numerica del processo (modelli termici e meccanici) per prevedere deposito, diluizione e tensioni residue;
- controllo di processo a circuito chiuso, capace di regolare in tempo reale parametri chiave come flusso di polvere, potenza laser, velocità di scansione.
L’idea è che la DED su larga area diventi robusta non solo perché si dispone di una macchina fisicamente grande, ma perché tutto l’ecosistema (materiali, hardware, software e controllo) converge verso la capacità di depositare materiale in modo ripetibile, con qualità metallurgica controllata e con costi prevedibili. In questo senso, il progetto ePris si avvicina a quanto fanno altri attori avanzati della DED metallica – da DM3D a fornitori di servizi specialistici come ES3 – che investono in test di processo, modelli predittivi e strategie di controllo per ridurre l’incertezza della tecnologia.
Scalabilità del processo: dall’esperimento al grande formato
Uno degli ostacoli storici della DED è la scalabilità in termini di volume di costruzione e velocità di deposizione: la macchina può essere grande, ma il punto di deposizione resta localizzato, e l’aumento dell’area lavorabile non sempre si traduce in una produttività sufficiente. L’approccio di ePris lavora su più fronti:
- ottimizzazione della testa di processo e del sistema di alimentazione polvere o filo, per aumentare la portata di materiale mantenendo il controllo su dimensione del cordone, diluizione e geometria del bead;
- definizione di strategie di percorso (toolpath) adatte a superfici complesse di grande formato, limitando sovradimensionamenti e rilavorazioni;
- integrazione con modelli di processo che suggeriscono in anticipo parametri idonei per combinare alte velocità di deposizione con microstrutture accettabili.
La letteratura scientifica su sistemi DED di grande scala mostra come la riprogettazione della testa e del sistema di alimentazione possa incrementare il tasso di deposizione preservando la qualità, con validazioni sia numeriche che sperimentali in ambito macchine industriali. Allo stesso tempo, la crescita di servizi DED di terze parti testimonia che il mercato richiede già oggi capacità di costruire o riparare parti di grandi dimensioni in settori automotive, aerospaziale ed energetico.
Gestione di qualità, difetti e proprietà meccaniche
Perché la DED su larga area sia credibile in ambito industriale, non basta poter riempire un grande volume: occorre garantire che le proprietà meccaniche e la qualità metallurgica siano allineate ai requisiti di progetto. L’approccio ePris integra:
- controlli non distruttivi (NDT) in-process o post-process, per individuare porosità, cricche o mancanze di fusione;
- strategie di preriscaldo e controllo termico per ridurre gradienti di temperatura e tensioni residue su componenti molto grandi;
- sviluppo di materiali dedicati alle dinamiche termiche della DED, con attenzione a segregazioni, dimensione di grano e stabilità della microstruttura su più passate.
Soluzioni avanzate di DED dimostrano che è possibile aumentare la velocità e ridurre la zona termicamente alterata, con efficienza materiale elevata e spessori di strato più sottili per rivestimenti più controllati. Questi esempi indicano la direzione in cui l’approccio convergente di ePris può evolvere: velocità elevate, proprietà controllate, precisione superiore, con l’obiettivo di dimostrare che la DED su larga area può diventare competitiva sia sui costi sia sui tempi rispetto a metodi tradizionali di fabbricazione e riparazione.
Applicazioni chiave per la DED su larga area
Le applicazioni che beneficiano maggiormente dell’approccio ePris alla DED di grande formato includono:
- aerospazio e spazio: strutture primarie, staffe di grandi dimensioni, ugelli e componenti per motori a razzo, dove si sono già visti casi con componenti alti oltre tre metri realizzati con DED e tempistiche ridotte;
- energia e oil & gas: riparazioni di turbine, valvole e componenti esposti a condizioni estreme, per i quali il recupero mediante DED consente di evitare sostituzioni complete;
- stampi e attrezzature: grandi inserti per stampi, strumenti in leghe speciali (come Invar) depositati in near-net-shape tramite DED a filo e poi rifiniti per asportazione, con riduzione di sprechi di materiale e di tempi di lavorazione;
- navale e trasporti pesanti: parti strutturali e componenti di dimensioni superiori al metro, prodotti direttamente vicino al punto d’uso o riparati in situ.
In tutti questi casi, la combinazione tra capacità di costruire in grande formato e possibilità di integrare lavorazioni sottrattive di finitura porta a una nuova logica di supply chain: invece di mantenere scorte di componenti massicci, si possono produrre o ripristinare lotti ridotti, con maggiore flessibilità e personalizzazione.
Il ruolo di standard, automazione e controllo qualità
Affinché la proposta di ePris abbia successo, è decisivo l’allineamento con gli standard emergenti di qualifica dei processi additivi e la costruzione di catene di controllo qualità end-to-end. Questo implica:
- integrazione di sensori di processo (telecamere termiche, monitoraggio melt-pool, misure di altezza strato) direttamente sulla testa DED;
- algoritmi di controllo a circuito chiuso che adattano potenza, flusso e velocità per compensare variazioni di geometria o di dissipazione termica man mano che il componente cresce;
- procedure di qualifica e di certificazione orientate a settori regolati, spesso sviluppate in collaborazione con università, centri di ricerca e grandi OEM.
Le esperienze maturate con progetti come il rivestimento DED per la NASA o le celle ibride combinate DED-macchina utensile mostrano che l’automazione avanzata e il controllo della qualità non sono più un accessorio, ma parte integrante del valore della soluzione. L’approccio convergente di ePris punta proprio a dimostrare, con casi reali, che una piattaforma DED su larga area ben integrata può superare lo stadio dimostrativo e diventare una opzione affidabile per componenti strategici.
