Tre sistemi nati per la ricerca entrano in un ambiente industriale

Stärke Advanced Manufacturing Group ha ampliato la capacità di stampa 3D metallica del proprio stabilimento di Camden Park, nell’Australia Meridionale, integrando tre sistemi Renishaw AM400 basati sulla fusione laser a letto di polvere.

Le macchine erano state acquistate da Flinders University per attività di ricerca e vengono ora trasferite in un contesto produttivo. L’operazione non consiste quindi nel semplice acquisto di nuovi impianti, ma nel passaggio di tre sistemi dalla sperimentazione universitaria alla fabbricazione di componenti destinati a clienti industriali.

L’accordo permette a Stärke-AMG di aumentare il numero di commesse gestibili in parallelo e, soprattutto, di ampliare la gamma di materiali e processi offerti. Il gruppo disponeva già di impianti Arcam basati sulla fusione a fascio di elettroni; con le AM400 aggiunge una piattaforma laser adatta alla lavorazione di acciai inossidabili, alluminio e superleghe di nichel come l’Inconel.

Chi è Stärke Advanced Manufacturing Group

Stärke-AMG è un gruppo manifatturiero australiano che riunisce diverse società attive nella progettazione, prototipazione, lavorazione meccanica di precisione, costruzione di utensili, stampaggio a iniezione, carpenteria e produzione additiva.

L’organizzazione dichiara oltre 130 dipendenti, sei stabilimenti e più di cinquant’anni di esperienza manifatturiera. Le attività vengono sviluppate attraverso divisioni come QPE Advanced Manufacturing, VPG Innovation, Stärke Tooling, McMahon Metal Fabrication, Precise Machining & Manufacturing, Stärke Incorporated e Stärke Injection Moulding.

Il modello operativo del gruppo punta a seguire un progetto dalla progettazione fino all’assemblaggio e alla consegna, evitando di considerare la stampa 3D come un servizio isolato. Il componente additivo può essere progettato, stampato, sottoposto a trattamenti, lavorato sulle superfici funzionali, controllato e inserito in un assieme all’interno della stessa rete produttiva.

I mercati indicati da Stärke comprendono difesa, aerospazio, medicale, energia, trasporti, produzione industriale e componentistica per costruttori di apparecchiature. Tra le organizzazioni mostrate dal gruppo come clienti o soggetti con cui ha lavorato figurano Thales, Boeing, Babcock e Marand.

Che cosa cambia con tre macchine uguali

L’installazione di tre AM400 non deve essere letta soltanto come un aumento della superficie complessiva disponibile per la stampa.

Disporre di più sistemi dello stesso modello consente di distribuire i lavori, ridurre l’impatto dei fermi macchina e mantenere configurazioni differenti. Una macchina può essere dedicata alle attività di ricerca, mentre le altre possono essere impiegate per commesse industriali o preparate con leghe diverse.

Il cambio di materiale in un impianto a letto di polvere richiede pulizia, controllo delle contaminazioni e gestione accurata del materiale residuo. In alcuni casi può essere più conveniente mantenere una macchina dedicata a una determinata lega, piuttosto che convertirla di continuo.

Avere tre unità permette inoltre di ripetere lo stesso lavoro su sistemi differenti e confrontare i risultati. Questo aspetto è importante quando si devono sviluppare procedure qualificate per applicazioni nei settori della difesa, dell’aerospazio o del medicale.

Si tratta di una conseguenza operativa plausibile dell’installazione, anche se Stärke non ha ancora reso pubblica la suddivisione delle leghe e delle commesse tra le tre macchine.

Come funziona la Renishaw AM400

La Renishaw AM400 utilizza il processo Laser Beam Powder Bed Fusion, indicato anche con le sigle PBF-LB o LPBF.

Uno strato sottile di polvere metallica viene distribuito sulla piattaforma di costruzione. Il laser fonde in modo selettivo le aree corrispondenti alla sezione del componente. La piattaforma si abbassa, viene steso un nuovo strato e il ciclo prosegue fino alla realizzazione dell’intero pezzo.

Il sistema dispone di un volume di costruzione di 250 × 250 × 300 millimetri e utilizza un laser da 400 watt, focalizzato con un diametro del fascio di circa 70 micrometri. La maggiore potenza, rispetto alle precedenti configurazioni da 200 watt, può essere utilizzata per aumentare la velocità di scansione o sviluppare parametri per materiali con temperature di fusione elevate.

La macchina è stata progettata con una logica di parametri aperti. Gli utilizzatori possono intervenire sulle impostazioni di processo per adattarle alla lega, alla geometria e alle proprietà richieste.

Questa caratteristica è particolarmente utile in un ambiente nel quale convivono ricerca e produzione. Un sistema completamente chiuso semplifica l’utilizzo di materiali già qualificati, ma limita la possibilità di sperimentare nuove polveri o strategie di scansione. L’accesso ai parametri permette invece di sviluppare processi specifici, che dovranno poi essere validati attraverso prove metallurgiche, meccaniche e dimensionali.

Gestione della polvere e atmosfera controllata

La qualità di un componente prodotto mediante LPBF dipende anche dal modo in cui viene gestita la polvere.

Le particelle devono scorrere in modo regolare e formare strati uniformi. Dimensioni, forma, distribuzione granulometrica, composizione chimica e presenza di ossigeno possono influenzare la densità e la ripetibilità dei pezzi.

Renishaw indica per i propri sistemi polveri comprese, in linea generale, tra 15 e 45 micrometri. Tra le leghe supportate figurano Ti6Al4V, alluminio AlSi10Mg, acciaio inossidabile 316L, cobalto-cromo e leghe di nichel come Inconel 625 e 718.

La AM400 crea l’ambiente di processo evacuando la camera e riempiendola con argon ad alta purezza. In questo modo si riduce la quantità di ossigeno presente durante la fusione e si limita il consumo di gas.

Il materiale viene alimentato attraverso una tramoggia esterna. La polvere non fusa può essere raccolta, setacciata e reintrodotta nel ciclo produttivo. Il sistema comprende inoltre il filtro SafeChange, pensato per ridurre l’esposizione dell’operatore alle particelle, e una glove box che consente di rimuovere la polvere dal volume di costruzione mantenendo un’atmosfera controllata.

Questi dispositivi non eliminano la necessità di procedure di sicurezza, aspirazione, dispositivi di protezione e formazione del personale. Le polveri metalliche fini possono essere respirabili, infiammabili o reattive e richiedono un’organizzazione produttiva differente da quella di una normale officina meccanica.

Il rapporto tra fusione laser e fusione a fascio di elettroni

Le tre Renishaw affiancheranno gli impianti Arcam già utilizzati da Stärke, basati sulla fusione a fascio di elettroni, conosciuta come EBM o PBF-EB.

Entrambi i processi costruiscono i componenti fondendo strati di polvere metallica, ma utilizzano sorgenti energetiche e ambienti differenti.

Nel sistema Renishaw la fusione avviene mediante laser in una camera riempita con gas inerte. Le macchine Arcam impiegano invece un fascio di elettroni e lavorano sotto vuoto.

La fusione a fascio di elettroni viene utilizzata soprattutto per leghe conduttive e trova applicazioni consolidate nella produzione di componenti in titanio. Il letto di polvere viene mantenuto a temperature elevate, una condizione che può ridurre le tensioni residue ma produce superfici con caratteristiche differenti da quelle normalmente ottenute con il laser.

La fusione laser offre una scelta più ampia di materiali e può realizzare dettagli fini, pareti sottili, canali interni e strutture reticolari. Non significa che un processo sia sempre migliore dell’altro: la scelta dipende dalla lega, dalle dimensioni, dalla finitura richiesta, dalle proprietà meccaniche e dalla quantità da produrre.

L’interesse dell’operazione di Stärke sta proprio nella possibilità di selezionare il processo più adatto senza limitare il servizio a una sola tecnologia.

Dai componenti in titanio agli acciai, all’alluminio e all’Inconel

Prima dell’arrivo delle AM400, le capacità additive metalliche del gruppo erano concentrate soprattutto sul titanio attraverso i sistemi Arcam.

Le nuove macchine permettono di ampliare l’offerta verso tre famiglie di materiali importanti.

Gli acciai inossidabili possono essere utilizzati per componenti industriali, dispositivi per la gestione dei fluidi, attrezzature, scambiatori e parti che richiedono resistenza alla corrosione.

Le leghe di alluminio interessano applicazioni nelle quali il peso deve essere ridotto, come componenti aerospaziali, sistemi di trasporto, robotica, elettronica e attrezzature mobili.

Le superleghe Inconel mantengono buone proprietà meccaniche ad alta temperatura e resistono all’ossidazione e alla corrosione. Vengono quindi impiegate in motori, turbine, sistemi energetici e componenti destinati ad ambienti gravosi.

L’introduzione di queste leghe consente a Stärke di rivolgersi a commesse che non sarebbero state adatte alle piattaforme electron beam già installate.

Una macchina resterà collegata alla ricerca

Una delle tre Renishaw AM400 sarà utilizzata nell’ambito di un progetto sostenuto dall’Additive Manufacturing Cooperative Research Centre, o AMCRC.

Il progetto coinvolge:

• Stärke Advanced Manufacturing Group;
• Flinders University;
• The University of Adelaide;
• Metal Powder Works.

La documentazione disponibile non descrive ancora nel dettaglio la lega o il componente che verranno studiati. La presenza di Metal Powder Works indica però un interesse per lo sviluppo o la caratterizzazione delle polveri metalliche.

L’azienda statunitense ha sviluppato il processo DirectPowder, che parte da materiale metallico in barra e permette di controllare dimensione e morfologia delle particelle. Secondo Metal Powder Works, il sistema può produrre polveri semisferiche adatte ai processi a letto di polvere e raggiungere una resa superiore al 95% nella distribuzione granulometrica desiderata.

La macchina dedicata al progetto può quindi funzionare da collegamento tra sviluppo del materiale, definizione dei parametri, caratterizzazione dei campioni e futura applicazione industriale. Si tratta tuttavia di un’interpretazione basata sulla composizione del gruppo di lavoro: gli obiettivi tecnici completi non sono stati ancora pubblicati.

Il ruolo di Flinders University

Flinders University non si limita a cedere o trasferire le macchine.

L’ateneo australiano dispone di competenze che coprono sviluppo dei materiali, ottimizzazione dei parametri, monitoraggio del processo, gemelli digitali, progettazione generativa, controlli non distruttivi e analisi delle proprietà meccaniche e microstrutturali.

I laboratori possono utilizzare microscopia elettronica, microtomografia, analisi EBSD e altri sistemi per verificare la presenza di porosità, difetti interni, variazioni nella microstruttura e distribuzioni non uniformi degli elementi di lega.

Queste capacità sono necessarie per trasformare una ricetta di stampa in un processo industriale ripetibile. Non basta ottenere un primo campione apparentemente corretto: occorre dimostrare che le proprietà rimangano entro limiti definiti anche cambiando lotto di polvere, posizione sulla piattaforma, macchina o operatore.

L’integrazione degli impianti presso Stärke permette di eseguire questa attività in un ambiente vicino alla produzione, evitando che la sperimentazione rimanga separata dalle esigenze delle aziende.

L’AMCRC e la capacità produttiva australiana

L’Additive Manufacturing Cooperative Research Centre è un programma australiano che collega aziende, università ed enti pubblici per finanziare attività di ricerca applicata e commercializzazione.

Il centro dispone di 57,5 milioni di dollari australiani di finanziamento governativo e riunisce più di settanta partner. Le sue attività sono organizzate in quattro aree: produzione sostenibile, sviluppo di applicazioni e materiali, sviluppo di tecnologie e processi, trattamenti superficiali e post-processing.

Uno degli obiettivi dichiarati è ridurre la dipendenza australiana da componenti importati, soprattutto nei settori nei quali i volumi sono bassi, i pezzi sono complessi e i tempi di approvvigionamento possono diventare critici.

La stampa 3D non sostituisce automaticamente le catene di fornitura esistenti. Per produrre localmente un componente regolamentato servono disponibilità dei dati, autorizzazione del titolare del progetto, materiale qualificato, processo controllato, post-processing e procedure di ispezione.

L’infrastruttura messa a disposizione da Stärke e dalle università può però creare le condizioni tecniche per affrontare questi passaggi all’interno dell’Australia.

Difesa e produzione distribuita

Stärke considera la difesa uno dei principali mercati per la nuova capacità.

L’amministratore delegato e cofondatore Al Jawhari ha collegato l’investimento alla necessità di ridurre i rischi legati alla produzione all’estero e di rendere economicamente sostenibili componenti complessi realizzati in piccoli lotti.

Il gruppo intende ottenere certificazioni e approvazioni collegate ad ASC, società australiana attiva nella costruzione e manutenzione di sottomarini, e alla US Navy. Stärke non ha ancora comunicato il completamento di queste qualifiche e parla di un percorso che dovrebbe svilupparsi nei prossimi mesi.

Nel quadro dell’accordo AUKUS tra Australia, Regno Unito e Stati Uniti, la produzione additiva viene osservata anche come strumento per distribuire file digitali e realizzare ricambi in stabilimenti autorizzati vicini al luogo di impiego.

Il passaggio più difficile non è inviare il file, ma garantire che il pezzo ottenuto in due siti differenti abbia le stesse caratteristiche. Sono necessari macchine qualificate, parametri bloccati, polveri tracciate, controlli di processo e verifiche finali.

L’utilizzo di più AM400 dello stesso modello può aiutare Stärke a sviluppare procedure di trasferibilità e ripetibilità, ma ogni applicazione destinata alla difesa dovrà seguire il proprio percorso di certificazione.

Le prime applicazioni industriali

Stärke riferisce di avere già ricevuto ordini per componenti prodotti con le nuove macchine.

Tra questi figurano parti per pompe idrauliche destinate alla sede locale di una multinazionale attiva nel trattamento delle acque. Il nome del cliente e le caratteristiche dei componenti non sono stati comunicati.

Le pompe rappresentano comunque un’applicazione coerente con la stampa 3D metallica. La tecnologia permette di integrare canali curvi, ridurre il numero di giunzioni, modificare il percorso del fluido e produrre ricambi in quantità limitate senza costruire stampi o attrezzature dedicate.

L’azienda sta inoltre valutando opportunità nei settori spaziale ed energetico.

Perché un componente additivo sia competitivo, però, non basta che possa essere stampato. Occorre che la nuova geometria porti un vantaggio: minore peso, maggiore efficienza, tempi di consegna ridotti, consolidamento di più parti oppure possibilità di produrre un ricambio non più disponibile.

Il post-processing rimane parte essenziale del lavoro

I componenti estratti da una AM400 non sono necessariamente pronti per essere utilizzati.

Dopo la costruzione possono essere necessari:

• rimozione della polvere;
• distacco dalla piattaforma;
• eliminazione dei supporti;
• trattamento termico;
• pressatura isostatica a caldo;
• lavorazione CNC;
• finitura superficiale;
• controllo dimensionale;
• tomografia o altre verifiche non distruttive.

Questo è uno dei motivi per cui la struttura di Stärke assume importanza. Il gruppo dispone di capacità di lavorazione meccanica, costruzione di utensili, fabbricazione e assemblaggio, che possono essere collegate al reparto additivo.

La stampa 3D metallica diventa così una fase di una catena produttiva più ampia, invece di terminare con l’estrazione del pezzo dalla camera di costruzione.

Un passaggio dalla disponibilità tecnologica alla capacità industriale

L’arrivo delle tre Renishaw AM400 non introduce in Australia una tecnologia sconosciuta. La fusione laser a letto di polvere viene utilizzata da anni in università, centri di ricerca e aziende.

Il valore dell’operazione risiede nel trasferimento di tre impianti dalla ricerca a una struttura che può integrare progettazione, sviluppo del materiale, stampa, lavorazione meccanica e controllo.

La collaborazione con Flinders University, The University of Adelaide, Metal Powder Works e AMCRC dovrebbe mantenere aperto il collegamento con la sperimentazione, mentre Stärke potrà utilizzare due o più macchine per rispondere a commesse industriali.

Sarà necessario verificare quali materiali verranno qualificati, quali certificazioni saranno ottenute e quanta parte della capacità sarà assorbita da produzioni continuative. L’azienda ha però già definito la direzione: costruire nell’Australia Meridionale una piattaforma multiprocesso capace di lavorare titanio, acciai, alluminio e superleghe e di servire settori nei quali piccoli lotti, tracciabilità e continuità della fornitura hanno un peso maggiore del semplice costo unitario.