Un programma dedicato a uno dei principali ostacoli della produzione additiva
America Makes e il National Center for Defense Manufacturing and Machining, conosciuto come NCDMM, hanno selezionato i gruppi di lavoro che parteciperanno a DELTA QUAL 2.0, un programma da 9 milioni di dollari dedicato alla qualificazione dei processi di produzione additiva metallica.
Il finanziamento proviene dall’Office of the Under Secretary of War, Manufacturing Technology Office, indicato con la sigla OSW ManTech. L’iniziativa si concentra sulla tecnologia Laser Powder Bed Fusion, o LPBF, uno dei processi più utilizzati per realizzare componenti metallici destinati ai settori aerospaziale, difesa, energia e trasporti.
L’obiettivo non consiste nell’abbassare i requisiti di sicurezza o nel sostituire le prove di qualificazione con procedure meno rigorose. DELTA QUAL 2.0 punta piuttosto a stabilire criteri tecnici che permettano di distinguere una modifica realmente critica da un cambiamento che può essere gestito attraverso misurazioni, controlli e confronti con una configurazione già qualificata.
Nell’attuale sistema produttivo, la sostituzione di un componente della macchina, un aggiornamento software, lo spostamento dell’impianto o la modifica di alcuni parametri possono rendere necessaria una nuova campagna di prove. Questa condizione limita la possibilità di trasferire la produzione tra stabilimenti, introdurre macchine più moderne o affidare lo stesso componente a un secondo fornitore.
Perché qualificare un componente stampato in 3D è complesso
Nella produzione convenzionale le proprietà di un componente dipendono dal materiale, dalla geometria, dal processo utilizzato e dai trattamenti successivi. Nella produzione additiva metallica queste relazioni diventano ancora più strette.
Un componente LPBF viene costruito fondendo selettivamente strati di polvere metallica mediante uno o più laser. Le caratteristiche finali dipendono dalla potenza del laser, dalla dimensione dello spot, dalla velocità di scansione, dalla strategia di esposizione, dallo spessore degli strati, dalla temperatura della piattaforma e dal comportamento del bagno di fusione.
A questi elementi si aggiungono la distribuzione del gas protettivo, la qualità della polvere, il numero di riutilizzi del materiale, l’orientamento del pezzo, la posizione occupata nel volume di costruzione e le operazioni di post-processo.
Anche variazioni limitate possono influire sulla porosità, sulla microstruttura, sulle tensioni residue, sulla precisione dimensionale e sulla resistenza a fatica. Per questo motivo la qualifica non riguarda soltanto la lega utilizzata, ma l’intera combinazione formata da materiale, macchina, parametri, software, configurazione di produzione e trattamenti successivi.
America Makes ha indicato che una riqualificazione completa può superare i 3 milioni di dollari per ogni combinazione tra macchina e materiale, richiedendo diversi anni. Si tratta di un costo difficile da sostenere quando una società deve trasferire rapidamente un processo a un nuovo stabilimento o sostituire un’apparecchiatura non più disponibile.
L’esperienza del primo programma Delta Qual
DELTA QUAL 2.0 prosegue il lavoro avviato con il precedente programma Delta Qual, dedicato alla dimostrazione di metodi alternativi per la qualificazione e la riqualificazione della produzione additiva.
Alla prima fase avevano partecipato aziende e organizzazioni come The Boeing Company, Northrop Grumman, RTX Corporation, Honeywell, EOS, Senvol e The Barnes Global Advisors. I progetti avevano studiato modifiche di diversa entità, distinguendo tra “major delta qualification” e “minor delta qualification” in funzione della complessità del cambiamento.
Il concetto di delta qualification parte da una domanda precisa: quando un processo già qualificato viene modificato, è necessario ripetere tutte le prove oppure è possibile dimostrare soltanto l’equivalenza delle parti interessate dal cambiamento?
Il primo programma ha permesso di sviluppare quadri metodologici e prove dimostrative, ma ha anche evidenziato due esigenze. La prima riguarda la necessità di conoscere meglio le prestazioni dei sottosistemi delle macchine LPBF. La seconda riguarda la definizione di intervalli di processo entro i quali una modifica possa essere accettata senza riavviare l’intera qualificazione.
DELTA QUAL 2.0 è stato costruito attorno a questi due problemi.
Primo filone: misurare la macchina prima di stampare i provini
Il primo ambito del programma è denominato Quantitative Measurement-Based Installation Qualification. Il suo scopo è sviluppare procedure più precise per l’accettazione, la calibrazione e la manutenzione delle macchine LPBF.
La qualificazione dell’installazione, indicata con la sigla IQ, serve a dimostrare che una macchina sia stata installata correttamente e che i suoi sottosistemi funzionino entro limiti definiti. DELTA QUAL 2.0 vuole rafforzare questa fase utilizzando misurazioni quantitative della macchina, riducendo il ricorso sistematico alla produzione e alla distruzione di provini metallici.
Le procedure dovranno prendere in considerazione variabili come la potenza effettiva del laser, la dimensione e la forma del fascio, la velocità e l’accelerazione degli specchi di scansione, il movimento della piattaforma lungo l’asse verticale e l’allineamento tra i laser nei sistemi multilaser.
Un altro parametro riguarda la regolarità del flusso di gas sopra la piattaforma di costruzione. Una distribuzione non uniforme può alterare l’espulsione dei residui prodotti durante la fusione e modificare la qualità del materiale nelle diverse zone del volume di stampa.
Il programma analizzerà anche eventi comuni nella vita di un impianto industriale: trasferimento della macchina, aggiornamento del software, manutenzione preventiva, sostituzione di un sottosistema e messa in funzione di un’altra macchina dello stesso modello.
L’idea è confrontare lo stato della macchina prima e dopo l’intervento. Quando le misurazioni dimostrano che le prestazioni restano entro i limiti stabiliti, potrebbe non essere necessario ripetere l’intera campagna di caratterizzazione meccanica.
ATI Materials ed EOS nel primo gruppo di qualificazione
Uno dei team selezionati per questo ambito è guidato da ATI Materials, produttore di leghe e materiali speciali destinati anche alle applicazioni aerospaziali e della difesa.
Al progetto partecipano EOS North America, produttrice di sistemi di produzione additiva, Phase3D, specializzata nel monitoraggio e nella metrologia dei processi, Laboratory Testing Inc., indicata anche come LTI, Lockheed Martin, L3Harris Technologies e Fluor Marine Propulsion.
La composizione del gruppo riunisce competenze nella produzione dei materiali, progettazione delle macchine, controllo del processo, prove di laboratorio e utilizzo di componenti in applicazioni regolamentate.
EOS North America potrà contribuire con la conoscenza dell’architettura delle macchine LPBF, mentre Phase3D e Laboratory Testing Inc. potranno sostenere lo sviluppo delle procedure di misurazione e verifica. Lockheed Martin, L3Harris Technologies e Fluor Marine Propulsion rappresentano il punto di vista degli utilizzatori che devono integrare i componenti additivi in sistemi sottoposti a requisiti tecnici stringenti.
Trusted Metal, Velo3D e Dyndrite nel secondo gruppo
Un secondo team dedicato alla qualificazione dell’installazione è guidato da Trusted Metal LLC.
Il gruppo comprende Dyndrite, RTX Technology Research Center, University of North Carolina at Charlotte, Oerlikon e Velo3D.
Dyndrite sviluppa software per la preparazione e la gestione dei processi additivi, mentre Velo3D produce sistemi LPBF progettati per geometrie complesse e applicazioni industriali. Oerlikon opera lungo diverse fasi della catena produttiva, dai materiali ai servizi di produzione e trattamento.
RTX Technology Research Center porta nel progetto competenze nella ricerca applicata per i settori aerospaziale e della difesa. La University of North Carolina at Charlotte dispone invece di capacità accademiche nel campo della metrologia, della produzione avanzata e della caratterizzazione dei processi.
I due gruppi del primo filone dovranno lavorare con almeno tre sistemi LPBF. Almeno due macchine dovranno appartenere allo stesso modello, mentre la terza dovrà essere differente. Una delle macchine simili sarà sottoposta a un aggiornamento software o alla sostituzione di un componente, così da verificare se i protocolli di misura riescano a rilevare e classificare il cambiamento.
Secondo filone: qualificare una finestra di processo
Il secondo ambito è denominato Bracketed Qualification for LPBF. In questo caso l’obiettivo è superare il modello basato su un unico insieme di parametri “congelati”.
In molti processi qualificati, valori come potenza del laser e velocità di scansione devono rimanere identici a quelli utilizzati durante la campagna iniziale. Anche una modifica potenzialmente utile può richiedere una nuova dimostrazione.
La bracketed qualification propone invece di definire una finestra operativa. Il processo potrebbe essere qualificato tra un limite minimo e un limite massimo, a condizione che le proprietà del materiale restino conformi ai requisiti.
La finestra dovrebbe includere parametri programmati direttamente, come potenza e velocità del laser, e grandezze derivate, come apporto termico, velocità di raffreddamento e temperatura tra uno strato e quello successivo.
I team dovranno dimostrare il comportamento del materiale all’interno della finestra, sui suoi confini e oltre i limiti stabiliti. Questa impostazione servirà a identificare non soltanto le condizioni che producono risultati accettabili, ma anche il punto in cui le prestazioni iniziano a degradarsi.
Un simile approccio potrebbe favorire strategie di scansione variabili, nelle quali i parametri cambiano in funzione della geometria, dello spessore locale o della quantità di calore accumulata. Queste strategie sono difficili da adottare quando la qualifica impone un solo valore per ogni parametro.
Auburn University guida il gruppo dedicato alla finestra di processo
Il team selezionato per la bracketed qualification è guidato dalla Auburn University.
Il gruppo comprende Texas A&M University, Northrop Grumman, Eaton, Cumberland Additive, Nikon SLM Solutions, Prime Tech, 3Degrees, Ansys, Dyndrite e Oqton.
Partecipano inoltre il National Institute of Standards and Technology, Air Force Research Laboratory, Naval Air Systems Command, RTX, attraverso le attività collegate a Raytheon, e Battelle.
La presenza di costruttori di macchine, sviluppatori software, produttori di componenti, università, laboratori federali e utilizzatori finali permette di affrontare il problema su più livelli.
Nikon SLM Solutions dispone di sistemi LPBF multilaser, mentre Cumberland Additive opera nella produzione di componenti per applicazioni industriali. Ansys, Dyndrite e Oqton possono contribuire alla simulazione, alla preparazione dei processi, alla gestione dei dati e alla definizione delle strategie di produzione.
Northrop Grumman, Eaton, RTX e Naval Air Systems Command potranno valutare se i metodi sviluppati siano compatibili con le necessità della produzione aerospaziale e della difesa. NIST, AFRL e Battelle potranno sostenere la validazione metrologica, scientifica e statistica.
Il bando ha richiesto l’impiego di materiali metallici maturi e già supportati da dati di riferimento. Ha però escluso Ti-6Al-4V e AlSi10Mg, due leghe già ampiamente studiate nei programmi precedenti. La scelta orienta i team verso altri materiali industriali, ampliando la base di conoscenze disponibile per la qualificazione LPBF.
Il Red Team trasformerà i risultati in indicazioni utilizzabili
Il terzo filone di DELTA QUAL 2.0 riguarda la creazione di un Red Team indipendente. Il gruppo non avrà il compito di sviluppare un singolo processo produttivo, ma di controllare, confrontare e mettere in discussione le metodologie adottate dagli altri team.
Il Red Team dovrà definire indicatori di prestazione, esaminare periodicamente i risultati, documentare le lezioni apprese e individuare eventuali punti deboli. Avrà anche il compito di tradurre le conclusioni tecniche in proposte per nuovi standard o per la revisione di quelli esistenti.
La guida del gruppo è stata affidata a The Barnes Global Advisors.
Al progetto partecipano SAE International, American Welding Society, ASTM International, Battelle, University of Texas at El Paso, Colorado School of Mines, Johns Hopkins University e National Institute of Standards and Technology.
Sono coinvolti anche Elementus Additive, SME, Nikon, inclusa la sua organizzazione dedicata alla produzione additiva, VulcanForms, Northrop Grumman Space Systems, The Boeing Company, Lockheed Martin e Parker Hannifin.
La componente pubblica comprende U.S. Army DEVCOM Aviation and Missile Center, U.S. Army, NASA Marshall Space Flight Center, U.S. Navy Submarine Industrial Base, Naval Nuclear Laboratory e Federal Aviation Administration.
La presenza di SAE International, American Welding Society e ASTM International è importante perché i risultati potranno essere trasformati in indicazioni utilizzabili dagli organismi che elaborano standard tecnici. La Federal Aviation Administration potrà invece valutare la coerenza dei metodi con le esigenze di certificazione aeronautica.
Dalla ricerca alla formazione del personale
DELTA QUAL 2.0 non si limita alla sperimentazione sulle macchine. I gruppi dovranno collaborare con la struttura Education and Workforce Development di America Makes per produrre materiali formativi.
Le procedure di calibrazione e manutenzione dovranno essere trasferibili a tecnici che operano presso organizzazioni diverse da quelle che le hanno sviluppate. Un’attenzione specifica sarà riservata alla calibrazione delle ottiche laser, un’attività che può incidere sulla ripetibilità del processo e sull’uniformità dei risultati.
Questo elemento distingue un progetto dimostrativo da una metodologia industriale. Una procedura può essere considerata trasferibile soltanto quando personale formato riesce ad applicarla in un altro stabilimento, su macchine diverse e con strumenti di misura disponibili sul mercato.
I possibili effetti sulla catena di fornitura
Nel settore della difesa, la possibilità di distribuire la produzione tra più fornitori è legata alla capacità di dimostrare che ogni stabilimento possa ottenere risultati equivalenti.
Un sistema di qualificazione basato esclusivamente su lunghe campagne di prove rende difficile aggiungere un secondo produttore o sostituire una macchina. In presenza di interruzioni della catena di approvvigionamento, il trasferimento della produzione può richiedere tempi incompatibili con le esigenze operative.
Le procedure studiate da ATI Materials, Trusted Metal, Auburn University, The Barnes Global Advisors e dagli altri partecipanti potrebbero consentire una gestione più rapida degli aggiornamenti, delle manutenzioni e dei passaggi tra stabilimenti.
Il vantaggio non sarebbe limitato alla difesa statunitense. Le stesse metodologie potrebbero essere applicate alla produzione aeronautica civile, ai componenti energetici, ai dispositivi industriali e alle parti soggette a requisiti di tracciabilità.
Per i costruttori di sistemi come EOS North America, Velo3D e Nikon SLM Solutions, standard di misurazione più chiari potrebbero facilitare l’accettazione delle nuove macchine. Per gli sviluppatori software come Dyndrite, Ansys e Oqton, una finestra di processo qualificata potrebbe permettere l’impiego di strategie di percorso utensile più adattive.
Una semplificazione che dovrà restare verificabile
DELTA QUAL 2.0 non eliminerà la necessità di qualificare materiali, macchine e componenti. Il programma cercherà di ridurre le prove ridondanti attraverso una migliore conoscenza delle variabili che controllano il processo.
Il risultato dipenderà dalla capacità dei team di dimostrare che le misurazioni dei sottosistemi siano correlate alle proprietà finali del materiale. Dovrà inoltre essere verificata la trasferibilità dei metodi tra costruttori, modelli di macchina, configurazioni multilaser e stabilimenti.
Un altro punto riguarda la gestione dei dati. Le misurazioni dovranno essere tracciabili, confrontabili e conservate in modo da ricostruire lo stato della macchina al momento della produzione. Senza una struttura comune per la raccolta dei dati, il rischio è sostituire una campagna di prove costosa con una grande quantità di misurazioni difficili da interpretare.
Il Red Team guidato da The Barnes Global Advisors avrà il compito di individuare questi problemi e di evitare che le soluzioni restino limitate ai singoli laboratori.
Verso una qualifica basata sulla conoscenza del processo
Il valore di DELTA QUAL 2.0 risiede nel passaggio da una qualifica centrata soltanto sul provino finale a una qualifica che considera anche lo stato della macchina e l’intervallo operativo del processo.
ATI Materials, EOS North America, Trusted Metal, Velo3D, Auburn University, Nikon SLM Solutions, Northrop Grumman, The Boeing Company, Lockheed Martin, RTX, Battelle e le altre organizzazioni coinvolte dovranno trasformare questo principio in protocolli misurabili e ripetibili.
Solo al termine delle attività sarà possibile stabilire quanto le nuove procedure riducano tempi e costi. Il programma fornisce però una struttura concreta per affrontare uno dei limiti che rallentano l’impiego della produzione additiva metallica nei componenti critici: l’impossibilità di modificare o trasferire un processo qualificato senza ripartire quasi sempre dall’inizio.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
