Un componente critico di scarico, dalla saldatura manuale alla produzione additiva certificata
La tedesca VOCUS GmbH, fornitore aerospaziale specializzato in reverse engineering e produzione additiva, ha sviluppato e qualificato un nuovo processo per la produzione di uno “sliding piece” del sistema di scarico di un velivolo leggero utilizzando la lega di nichel EOS NickelAlloy IN718 e la tecnologia di fusione laser su letto di polvere (PBF/LB-M). Il risultato è un flusso produttivo interamente digitale, certificato secondo gli standard EN 9100/ISO 9001 e approvato dall’Agenzia europea per la sicurezza aerea (EASA) attraverso un Supplemental Type Certificate (STC), che abilita l’uso operativo del componente su aeromobili in Europa e in altri mercati riconosciuti.
Storicamente questo componente veniva realizzato tramite saldature manuali su elementi in acciaio aeronautico, con forti variabilità dimensionali, zone termicamente alterate, stress residui e una vita utile limitata. VOCUS ha ripensato il pezzo sfruttando la progettazione digitale, la simulazione e la stampa 3D metallica per ottenere una geometria monolitica, priva di giunti saldati, che migliora la durabilità sotto carichi ciclici e semplifica la ripetibilità industriale.
Reverse engineering e progettazione digitale: accuratezza geometrica e ottimizzazione funzionale
Per avviare il percorso di certificazione, VOCUS ha eseguito un reverse engineering ad alta precisione del componente originale, sfruttando la tomografia computerizzata (CT) per catturare l’intera geometria interna ed esterna, incluse tolleranze reali, spessori e transizioni critiche. I dati CT sono stati trasformati in un modello CAD parametricamente controllato, che ha consentito di correggere deviazioni storiche, ottimizzare i raccordi e uniformare gli spessori in funzione della resistenza a fatica e della stampabilità.
Prima di passare al metallo, VOCUS ha validato la geometria tramite prototipi polimerici stampati in 3D, utilizzati per controlli di montaggio e verifica degli ingombri sul motore e sulla struttura di scarico dell’aeromobile. Questo passaggio ha ridotto il rischio di iterazioni costose in metallo, permettendo di bloccare rapidamente la forma finale compatibile con i vincoli di installazione e con l’analisi termomeccanica del sistema di scarico.
Scelta del materiale: EOS NickelAlloy IN718 per ambienti di scarico ad alta temperatura
Il nuovo componente di scarico è prodotto in EOS NickelAlloy IN718, una variante di Inconel 718 ottimizzata per sistemi LPBF EOS, caratterizzata da elevata resistenza meccanica, stabilità strutturale fino a temperature della fascia 650–700 °C e buona resistenza a ossidazione e corrosione ad alta temperatura. La lega IN718 è ampiamente utilizzata in turbomacchine, parti di motori aeronautici e componenti di scarico, il che ne facilita l’accettazione in contesti regolamentati perché proprietà e curve di fatica sono ben documentate in letteratura e in normative di settore.
L’utilizzo di una lega di nichel certificabile, combinata con una piattaforma EOS industriale, ha consentito a VOCUS di impostare parametri di processo stabili (energia laser, velocità di scansione, spessore di strato) e di dimostrare una ripetibilità di produzione su più lotti, punto centrale per l’approvazione EASA. In ogni build vengono prodotti sei componenti, accompagnati da provini dedicati per prove di trazione, durezza e analisi metallografica, così da correlare in modo diretto le proprietà meccaniche alla specifica combinazione macchina-materiale-lotto polvere.
Catena digitale continua: da Materialise Magics a Streamics per la tracciabilità
Uno degli aspetti chiave del progetto è la catena digitale continua sviluppata fra VOCUS, EOS e Materialise. Per la preparazione delle costruzioni viene impiegato Materialise Magics, che gestisce orientamento del pezzo, generazione dei supporti, nesting dei sei componenti e integrazione dei provini, mentre EOS Build Processor trasferisce i job in modo standardizzato alla macchina EOS per la fusione su letto di polvere.
Per la tracciabilità end-to-end, VOCUS utilizza Materialise Streamics come backbone dati centrale, collegando parametri di macchina, batch di polvere, record di post-processing, risultati delle ispezioni e numeri di serie univoci dei componenti. Ogni pezzo è marcato con una firma univoca (lotto e seriale) che accompagna il componente lungo l’intero ciclo di vita, rendendo possibile risalire a impostazioni di processo, condizioni di forno, operatori e risultati dei controlli NDT e dimensionali richiesti per la certificazione aeronautica.
Processo produttivo: dalla costruzione LPBF al controllo qualità aeronautico
Il flusso produttivo implementato da VOCUS comprende diverse fasi strettamente codificate. Dopo la costruzione LPBF su sistema metallico EOS, i componenti vengono sottoposti a trattamento termico di distensione per ridurre le tensioni residue introdotte dalla fusione strato su strato, seguito da rimozione dei supporti, lavorazioni meccaniche di finitura nelle aree funzionali e sabbiatura con sfere ceramiche per ottenere la rugosità superficiale richiesta.
La catena di qualità include ispezioni dimensionali, controlli visivi e, per campioni selezionati e provini, analisi metallografiche e prove meccaniche per dimostrare l’assenza di difetti critici e la conformità alle specifiche di progetto. L’intero processo è gestito secondo sistemi qualità ISO 9001 ed EN 9100, prerequisito per i fornitori del settore aerospaziale, e la documentazione generata rientra nel dossier necessario per il rilascio dell’EASA STC.
Test a terra e in volo: requisiti EASA per l’STC
Per l’approvazione Supplemental Type Certificate, EASA richiede campagne di prova a terra e in volo sul componente installato. VOCUS ha superato in modo esteso i requisiti minimi, realizzando 20 ore di test a terra (rispetto alle 10 ore richieste) presso Binder Motorenbau e SOLO Aero Engines, con sequenze di carico che includono avviamenti a freddo, raggiungimento del pieno carico per diversi minuti, fasi al minimo e cicli di raffreddamento ripetuti.
Successivamente sono state condotte 35 ore di prove in volo su un aliante motorizzato Arcus, in collaborazione con DreamWings, senza incidenti o anomalie riportate sul componente di scarico stampato in 3D. Il completamento positivo di questi test, unito ai risultati di laboratorio e alla tracciabilità digitale del processo, ha portato all’approvazione EASA STC del componente metallico prodotto in IN718, rendendo VOCUS uno dei pochi soggetti sul mercato a detenere un STC per una parte metallica AM in Inconel destinata all’uso operativo.
Benefici tecnici: struttura monolitica, vita utile estesa e processo controllato
Il passaggio dalla geometria saldata tradizionale alla struttura monolitica prodotta in AM comporta diversi vantaggi tecnici. L’assenza di giunti saldati elimina zone di concentrazione delle tensioni e riduce la probabilità di cricche da fatica, mentre la riproducibilità dimensionale tipica della LPBF consente di mantenere tolleranze più strette e costanti da un lotto all’altro.
Secondo i dati del caso applicativo, la vita utile del nuovo componente è stimata fino a circa dieci volte superiore rispetto alla versione saldata, con benefici rilevanti in termini di manutenzione, disponibilità del velivolo e costi di ciclo di vita. Il processo digitalmente controllato riduce inoltre la dipendenza da saldatori altamente specializzati e da attrezzature dedicate, favorendo una maggiore scalabilità e una migliore gestione del rischio di fornitura.
Impatto per il settore aeronautico e per le PMI dell’AM
Questo progetto evidenzia come la produzione additiva metallica, se integrata in una catena digitale completa e in un sistema qualità aeronautico, possa essere utilizzata non solo dai grandi OEM ma anche da PMI altamente specializzate come VOCUS. L’uso combinato di reverse engineering CT-based, software di preparazione e gestione dati Materialise, piattaforme EOS e un framework di certificazione strutturato mostra una strada concreta per convertire parti legacy in componenti AM certificati.
Per il settore, l’esempio di VOCUS suggerisce nuove opportunità: aggiornare componenti obsoleti o difficili da reperire, aumentare la resilienza delle supply chain e prolungare la vita operativa delle flotte esistenti senza dover riprogettare interi sistemi. Nel medio termine, l’esperienza accumulata su un componente di scarico potrebbe estendersi ad altre parti calde o strutturali, a condizione di integrare analisi di fatica, validazione su larga scala e interfaccia stretta con le autorità di certificazione.
