Una batteria stampata in 3D per controllare le acciaierie e prevenire guasti
Un consorzio di ricerca spagnolo ha sviluppato un sistema di monitoraggio industriale alimentato da una batteria realizzata con stampa 3D. Il progetto si chiama 3DSTORE e punta a risolvere un problema molto concreto: portare sensori, elettronica e alimentazione in ambienti produttivi difficili, dove calore, vibrazioni e accesso limitato rendono complicata la manutenzione dei macchinari.
Il caso applicativo scelto è quello della siderurgia. Il sistema è stato provato presso CELSA, gruppo industriale attivo nella produzione di acciaio, su un laminatoio utilizzato per trasformare barre d’acciaio in profili. In questo tipo di impianto un guasto non programmato non significa soltanto fermare una macchina: può comportare ore di arresto della linea, perdita di produzione, costi di ripartenza e consumo energetico anche durante la fermata.
Il progetto è guidato dal Catalonia Institute for Energy Research – IREC e coinvolge la Universitat Oberta de Catalunya – UOC, CELSA, CIC energiGUNE e la Universidad de Castilla-La Mancha. L’obiettivo dichiarato è dimostrare che la stampa 3D può diventare una tecnologia di fabbricazione adatta a batterie di nuova generazione per nodi sensore autonomi, destinati all’Internet of Things industriale e al monitoraggio di infrastrutture critiche.
Perché serve una batteria speciale
I sensori industriali non sono una novità. Molte aziende usano già vibrometri, sonde di temperatura, sistemi di controllo remoto e piattaforme di manutenzione predittiva. Il problema nasce quando questi dispositivi devono lavorare in punti caldi, sporchi, soggetti a vibrazioni o difficili da raggiungere.
Portare un cavo di alimentazione può essere costoso o poco pratico. Usare una batteria convenzionale può non bastare, perché l’ambiente può essere troppo caldo oppure perché la sostituzione periodica della batteria annulla una parte dei vantaggi del monitoraggio remoto. Per questo 3DSTORE lavora su una soluzione diversa: una batteria a ossido solido, prodotta con tecniche additive, capace di alimentare un sistema elettronico a bassissimo consumo con connettività cellulare.
Il ruolo della stampa 3D non è decorativo. La produzione additiva permette di adattare la geometria della batteria allo spazio disponibile, usando il materiale dove serve dal punto di vista elettrochimico. Questo approccio è importante soprattutto quando l’oggetto da alimentare non è uno smartphone o un dispositivo standard, ma un nodo sensore da inserire su una macchina già esistente.
Il test nel laminatoio CELSA
Nel progetto pilota il dispositivo è stato installato sull’albero di un laminatoio. Il compito del sistema è misurare vibrazioni e temperatura per individuare variazioni nel comportamento della macchina. Se una parte meccanica inizia a lavorare fuori dalle condizioni normali, il sensore può fornire dati utili prima che il problema diventi un guasto vero e proprio.
La UOC si è occupata della progettazione e dello sviluppo del dispositivo elettronico e della sua installazione presso CELSA. Secondo Xavier Vilajosana, vicepresidente per ricerca, trasferimento e imprenditorialità della UOC e ricercatore ICREA, intercettare un’anomalia può evitare un fermo produttivo da quattro a otto ore. In un’acciaieria, un arresto non programmato di questa durata può generare costi nell’ordine delle centinaia di migliaia di euro.
C’è poi un tema energetico. CELSA ha evidenziato che, anche quando la macchina è ferma, il forno continua a consumare gas per mantenere l’acciaio a circa 1.200 °C. Evitare un guasto non significa quindi soltanto risparmiare sulla manutenzione, ma anche ridurre sprechi energetici e rendere il processo più stabile.
Manutenzione predittiva in ambienti estremi
Il punto centrale del progetto è la manutenzione predittiva. Non si aspetta che la macchina si rompa; si raccolgono dati per capire quando una condizione sta cambiando e quando conviene intervenire. In questo modo l’azienda può programmare l’arresto in una finestra di manutenzione, sostituire il componente problematico e ridurre il rischio di fermate improvvise.
La parte interessante, per chi segue la stampa 3D, è che l’additive manufacturing entra in un punto spesso meno visibile rispetto a pezzi meccanici, staffe o componenti metallici: l’alimentazione energetica del sensore. La batteria non è solo un contenitore di energia, ma un componente progettato per integrarsi con l’applicazione. Questo è uno dei campi in cui la stampa 3D può avere senso industriale: oggetti piccoli, geometrie personalizzate, funzioni integrate e lotti non necessariamente enormi.
Chi fa cosa nel progetto 3DSTORE
IREC coordina il progetto e porta competenze su energia, celle a ossido solido e fabbricazione avanzata. Il gruppo di Albert Tarancón lavora da anni su dispositivi elettrochimici allo stato solido e su processi di produzione avanzati, inclusa la stampa 3D di materiali ceramici funzionali.
UOC segue la parte elettronica, l’architettura del dispositivo e il collegamento dati. In un sistema di monitoraggio industriale non basta avere un sensore: serve un’elettronica a basso consumo, una trasmissione affidabile e una logica di acquisizione dati adatta all’ambiente in cui il dispositivo lavora.
CELSA fornisce l’ambiente reale di prova. Questo è un passaggio importante perché il progetto non resta confinato al laboratorio: viene testato su una macchina industriale, in un contesto nel quale calore, vibrazioni, polvere e continuità produttiva sono fattori critici.
CIC energiGUNE partecipa come centro di ricerca specializzato nell’accumulo elettrochimico e nelle batterie allo stato solido. Il centro basco ha spiegato che 3DSTORE mira a dimostrare la scalabilità della stampa 3D per batterie destinate a nodi IoT industriali e infrastrutture critiche.
La Universidad de Castilla-La Mancha contribuisce al consorzio nell’area della stampa 3D ceramica avanzata, uno degli elementi più delicati quando si parla di batterie allo stato solido e componenti elettrochimici miniaturizzati.
Dalla fabbrica alle infrastrutture
Il primo ambito di applicazione è la linea produttiva CELSA, ma la logica può essere estesa ad altri contesti. Il consorzio cita ponti, tunnel e strade come possibili campi di utilizzo per nodi sensore autonomi. In questi casi il tema è simile: servono dispositivi capaci di raccogliere dati per lunghi periodi, con poca manutenzione e senza dipendere sempre da alimentazioni cablate.
Per un ponte o un tunnel, ad esempio, il monitoraggio può riguardare vibrazioni, deformazioni, temperatura, umidità o altri parametri strutturali. Per un impianto industriale può riguardare alberi rotanti, motori, riduttori, laminatoi, pompe, ventilatori o parti soggette a fatica meccanica.
Non si tratta quindi solo di “stampare una batteria”, ma di costruire una piattaforma energetica per sensori che devono lavorare dove una batteria standard o un cablaggio non sono la scelta più semplice.
Perché la stampa 3D può fare la differenza
Nel campo delle batterie, la stampa 3D viene studiata perché permette di superare alcuni limiti della produzione planare tradizionale. Molte batterie sono progettate come strati sovrapposti con geometrie standard. La fabbricazione additiva consente invece di immaginare forme diverse, architetture interne più complesse e una migliore integrazione tra accumulo energetico e dispositivo finale.
Nel caso di 3DSTORE, la personalizzazione geometrica è legata all’applicazione industriale. Un sensore da installare su una macchina esistente ha vincoli fisici precisi: spazio ridotto, punti di fissaggio limitati, esposizione al calore e necessità di non interferire con il funzionamento del macchinario. Una batteria prodotta su misura può diventare un elemento abilitante.
Il progetto UOC indica una durata da dicembre 2022 a novembre 2025, con finanziamento del Ministero spagnolo della Scienza e Innovazione e fondi dell’Unione Europea NextGenerationEU/PRTR. La scheda UOC riporta un importo di 307.000 euro per il progetto.
Il prossimo passaggio
Il passo successivo indicato dai partner è l’estensione della soluzione ad altre stazioni della catena produttiva CELSA. Questa fase servirà a capire quanto il sistema sia robusto nel tempo, quale sia la durata effettiva in esercizio e come si comportino batteria, elettronica e comunicazione dati in condizioni industriali diverse.
La direzione è chiara: portare sensori autonomi in ambienti dove oggi il monitoraggio è complesso, costoso o incompleto. La stampa 3D entra in questa filiera come tecnologia di progettazione e fabbricazione di componenti energetici su misura, non come semplice alternativa produttiva.
Per la manifattura additiva è un esempio interessante perché mostra un’applicazione meno immediata ma molto industriale: non il pezzo visibile della macchina, ma l’infrastruttura che permette alla macchina di essere controllata, mantenuta e fermata al momento giusto.
