Additive Willmann porta la gestione della qualità AM dal foglio Excel alla tracciabilità digitale

Additive Willmann ha scelto il software di quality management sviluppato da amsight per rafforzare la tracciabilità dei propri processi di additive manufacturing metallico e sostenere il passaggio dalla produzione di singoli progetti a una manifattura seriale più strutturata. L’azienda tedesca, con sede a Löffingen nella Foresta Nera, opera nella produzione di componenti metallici attraverso Selective Laser Melting e Metal Binder Jetting e serve settori nei quali documentazione, ripetibilità e controllo del processo assumono un peso crescente, tra cui aerospace, difesa e medicale. L’integrazione di amsight non modifica direttamente il modo in cui laser, polvere o binder costruiscono il componente, ma interviene su uno dei problemi che stanno diventando centrali nell’industrializzazione dell’Additive Manufacturing: riuscire a dimostrare, per ogni singola parte prodotta, quale materiale è stato utilizzato, su quale macchina, attraverso quali parametri, con quali operazioni successive e con quali risultati di controllo. La qualità smette quindi di essere rappresentata soltanto dal rapporto di misura finale e diventa una catena digitale che accompagna il componente dalla materia prima fino alla consegna.

Il problema non è raccogliere dati, ma riuscire a collegarli al singolo componente

Una moderna macchina per additive manufacturing metallico genera già una notevole quantità di informazioni. Vengono registrati parametri di costruzione, eventi macchina, temperature, stato dei sistemi ottici, log degli errori e, nelle piattaforme più evolute, dati provenienti dal monitoraggio in-situ. A questi si aggiungono certificati delle polveri, numero dei lotti, risultati delle analisi granulometriche, informazioni sui cicli di riutilizzo, trattamenti termici, rimozione dei supporti, lavorazioni CNC, misure dimensionali, prove meccaniche e controlli non distruttivi.

Il problema nasce quando queste informazioni risiedono in ambienti differenti: un certificato PDF in una cartella di rete, i parametri della macchina in un file proprietario, il lotto della polvere in un foglio Excel, il rapporto della tomografia in un altro sistema e le informazioni sul trattamento termico all’interno del gestionale o addirittura in documenti compilati manualmente.

Per una produzione prototipale gestire questa frammentazione può essere ancora possibile. Quando aumentano numero delle macchine, lotti, materiali e componenti, ricostruire la storia di una singola parte diventa invece un’attività sempre più onerosa. È proprio questa ricostruzione manuale che Additive Willmann vuole ridurre con amsight.

Da “dove si trova il documento?” a “qual è la storia di questo pezzo?”

Il principio del sistema consiste nel collegare le informazioni a livello di parte. Invece di considerare separatamente il certificato del materiale, il build job e il rapporto di controllo finale, amsight costruisce una relazione digitale fra questi elementi.

Per una parte prodotta tramite Laser Powder Bed Fusion diventa quindi possibile associare il componente a un determinato job, alla macchina sulla quale è stato costruito, al set di parametri utilizzato, alla posizione nella piattaforma, al lotto o alla miscela di polvere, alle operazioni di post-processing e ai risultati delle ispezioni.

Questa struttura diventa particolarmente importante quando vengono stampati più componenti nello stesso job. Tutti condividono una parte della storia produttiva, ma possono differire per posizione sulla piattaforma, lavorazioni successive o risultati dimensionali. Una vera tracciabilità industriale deve quindi poter gestire contemporaneamente informazioni a livello di lotto, job e singolo pezzo.

Jörg Willmann, fondatore e CEO di Additive Willmann, ha indicato proprio la tracciabilità come uno dei principali motivi della scelta. L’obiettivo dell’azienda è documentare in maniera più strutturata l’intero percorso dalla polvere alla consegna, riducendo allo stesso tempo il lavoro necessario per preparare manualmente la documentazione qualità.

La polvere metallica possiede una storia che non termina dopo il primo utilizzo

Uno dei punti in cui la gestione digitale diventa particolarmente utile è il controllo della polvere. Nei processi Powder Bed Fusion una parte della polvere non viene fusa durante la costruzione e può essere recuperata, setacciata e utilizzata nuovamente. Il materiale può inoltre essere miscelato con polvere vergine o con materiale proveniente da altri cicli compatibili.

Questo significa che parlare semplicemente di “lotto della polvere” può non essere sufficiente. Bisogna poter ricostruire la genealogia del materiale: quando è arrivato, da quale produttore, con quale certificato, quante volte è stato utilizzato, quando è stato setacciato, se è stato miscelato e quali job sono stati realizzati utilizzando quella specifica miscela.

amsight propone una gestione basata anche su identificazione QR. Le operazioni di ricezione, miscelazione, caricamento in macchina e ritorno del materiale possono aggiornare progressivamente lo storico digitale. Una parte prodotta può così essere ricondotta alla precisa storia della polvere che l’ha generata.

È una funzione particolarmente utile nei settori regolamentati. Se dopo diverse costruzioni emerge una variazione nella chimica, nella distribuzione granulometrica o nella fluidità della polvere, diventa possibile verificare quali componenti sono stati prodotti utilizzando quel materiale e se le stesse condizioni hanno avuto effetti misurabili sulla qualità.

La qualità AM non può essere verificata soltanto alla fine

La scelta di Additive Willmann riflette un principio che sta diventando centrale nell’Additive Manufacturing industriale: l’ispezione finale non può essere l’unico strumento con cui viene garantita la qualità.

Una tomografia computerizzata può identificare porosità o difetti interni, una macchina di misura a coordinate può verificare la geometria e una prova di trazione può misurare le proprietà meccaniche dei campioni. Questi controlli rimangono indispensabili in molte applicazioni, ma intervengono dopo che macchina, materiale, energia e tempo sono già stati utilizzati.

Un sistema di gestione qualità collegato ai dati di processo permette invece di osservare anche la stabilità del processo. Se una macchina comincia a mostrare una deriva rispetto alle costruzioni precedenti, oppure un determinato lotto di polvere viene associato a valori progressivamente differenti, il problema può essere individuato prima che si traduca in una quantità significativa di scarti.

amsight utilizza strumenti di Statistical Process Control, SPC, proprio per analizzare serie di dati nel tempo. L’obiettivo non è semplicemente archiviare più informazioni, ma stabilire quando una variazione è compatibile con la normale dispersione del processo e quando indica che qualcosa sta cambiando.

SPC significa passare dal singolo risultato alla stabilità nel tempo

Il controllo statistico di processo è ampiamente utilizzato nella produzione convenzionale, ma applicarlo all’AM richiede una corretta struttura dei dati. Una misura isolata può indicare che un pezzo è conforme; una sequenza di centinaia di misure permette invece di capire se il processo rimane centrato e stabile.

Nel Powder Bed Fusion possono essere monitorati parametri e caratteristiche differenti: densità dei provini, resistenza meccanica, rugosità, risultati dimensionali, proprietà della polvere o indicatori provenienti dalle macchine.

Se i valori si spostano progressivamente verso un limite, il sistema può evidenziare la deriva prima che vengano prodotti componenti non conformi. Il vantaggio è passare da un quality management prevalentemente reattivo – il pezzo è difettoso, bisogna scoprire perché – a una gestione nella quale le tendenze possono essere utilizzate come segnali anticipatori.

Questa capacità assume particolare importanza quando Additive Willmann parla di produzione seriale. Realizzare con successo una parte una volta è un problema di sviluppo; produrre la stessa parte centinaia di volte mantenendo le stesse caratteristiche è un problema di controllo statistico e industrializzazione.

La root-cause analysis può diventare molto più rapida quando tutti i dati sono collegati

Quando viene rilevata una non conformità, una delle operazioni più costose non è necessariamente l’analisi tecnica del difetto, ma la ricostruzione delle condizioni nelle quali è stato prodotto il componente.

Se una CT evidenzia porosità anomala, gli ingegneri devono capire quale polvere è stata utilizzata, se il materiale era già stato riciclato, quale parameter set era attivo, se durante il job erano presenti warning, se la macchina aveva subito manutenzione e quali trattamenti erano stati eseguiti successivamente.

Se queste informazioni si trovano in sistemi indipendenti, una parte considerevole del tempo viene spesa semplicemente per raccoglierle.

Collegandole in uno stesso modello dati, l’analisi può partire direttamente dalle possibili correlazioni. Non significa che il software determini automaticamente la causa fisica di ogni difetto, ma mette a disposizione degli specialisti una base molto più strutturata per identificarla.

Questo aspetto è importante anche per evitare reazioni eccessivamente conservative. Quando non è possibile stabilire con precisione la causa di un problema, l’azienda può essere costretta a effettuare più controlli, scartare un intero lotto o restringere inutilmente la finestra di processo. Una migliore tracciabilità può invece permettere di delimitare il problema.

Additive Willmann opera sia con SLM sia con Metal Binder Jetting

La necessità di un sistema digitale comune cresce ulteriormente considerando che Additive Willmann non utilizza una sola tecnologia produttiva. L’azienda dispone di più sistemi SLM e MBJ e propone componenti dall’esemplare singolo fino alla produzione seriale.

Nel Selective Laser Melting la polvere metallica viene fusa direttamente attraverso energia laser. Additive Willmann dichiara per le proprie capacità SLM un volume massimo di 500 × 500 × 500 mm, riferito alla DMP Factory 500, con layer compresi indicativamente tra 20 e 100 µm. La densità relativa dichiarata varia, in funzione del materiale e del processo, da oltre il 99,5 al 99,9%.

Nel Metal Binder Jetting il meccanismo è differente. Una testina deposita selettivamente un legante sul letto di polvere e produce un green part che deve essere successivamente sottoposto a processi termici, compresa la sinterizzazione, per ottenere densità e proprietà finali.

Additive Willmann indica per le proprie capacità MBJ un’area massima del sistema Shop System di 350 × 250 × 200 mm e layer nell’intervallo 35-75 µm. Il processo introduce inoltre variabili specifiche come il ritiro durante la sinterizzazione e la necessità di prevedere la deformazione prima del trattamento termico.

Riunire dati provenienti da tecnologie diverse all’interno dello stesso sistema qualità consente di mantenere una logica comune di tracciabilità senza pretendere che i due processi siano tecnicamente identici.

Nel Binder Jetting la qualità continua dopo la stampa

Il caso MBJ rende particolarmente evidente perché il concetto di “build data” da solo non sia sufficiente. Quando il green part esce dalla stampante non possiede ancora le caratteristiche meccaniche del componente finale.

Devono seguire depowdering, eventuali operazioni di debinding e soprattutto sinterizzazione. Durante il trattamento termico la parte si ritira e può deformarsi. Additive Willmann utilizza strumenti di simulazione come Live Sinter per prevedere questi fenomeni e generare geometrie compensate che, dopo il ritiro, raggiungano la forma desiderata.

La storia qualità di un componente MBJ deve quindi collegare stampa e sinterizzazione, ma anche il lotto della polvere, la preparazione del materiale, i parametri del forno e le misure finali.

Questo è un esempio concreto del motivo per cui un software sviluppato specificamente per Additive Manufacturing può essere differente da un semplice archivio documentale. Il sistema deve conoscere le relazioni tra materiale, job, parte e operazioni successive.

Aerospace, difesa e medicale rendono la documentazione parte del prodotto

Additive Willmann dichiara tra i propri mercati di riferimento aerospace, difesa e medicale e indica un sistema di gestione integrato secondo ISO 9001, ISO 14001 ed EN 9100 per le attività collegate alla produzione.

In settori di questo tipo la documentazione non rappresenta un’attività amministrativa accessoria. Una parte può essere fisicamente conforme ma non essere accettabile se non è possibile dimostrare attraverso quale processo sia stata prodotta.

In aerospace, per esempio, diventano importanti identificazione dei materiali, controllo delle modifiche, stato della macchina, qualificazione del processo e conservazione della documentazione. Nel medicale si aggiungono requisiti di tracciabilità e validazione particolarmente severi. Nella difesa devono spesso essere considerate anche protezione e controllo dei dati.

La conseguenza è che aumentando l’importanza dell’applicazione aumenta anche la quantità di “evidenza” che deve accompagnare il componente.

La gestione manuale di questa evidenza può diventare un limite economico alla diffusione dell’AM. Se il costo di produrre una parte diminuisce ma quello necessario per documentarla cresce quasi proporzionalmente al numero di pezzi, il vantaggio della produzione seriale viene ridotto.

amsight nasce proprio dall’esperienza di Fraunhofer IAPT

amsight è una società tedesca con sede ad Amburgo nata come spin-off del Fraunhofer Institute for Additive Production Technologies, Fraunhofer IAPT. I fondatori avevano lavorato su assicurazione qualità e ottimizzazione dei processi AM e hanno identificato nella frammentazione dei dati uno dei problemi ricorrenti delle installazioni industriali.

La piattaforma è stata quindi sviluppata specificamente per Powder Bed Additive Manufacturing anziché come adattamento di un software QMS generico.

Il sistema raccoglie automaticamente dati da macchine, file di log e documenti esistenti, collega materiale, produzione e ispezione e permette di creare report e analisi. amsight dichiara integrazioni già predisposte per diversi produttori di sistemi AM e può sviluppare connettori personalizzati per altre apparecchiature.

Un elemento importante è che l’azienda non posiziona il proprio software come sostituto di ERP e MES. L’ERP continua a gestire ordini, materiali, costi e aspetti economici; il MES gestisce l’esecuzione della produzione. amsight vuole invece occupare il livello specifico dell’evidenza qualità AM, collegando ciò che è avvenuto durante la produzione con ciò che viene dimostrato attraverso i controlli.

La documentazione può essere generata durante il processo invece che ricostruita alla fine

Questa distinzione rappresenta probabilmente uno degli aspetti più rilevanti dell’integrazione per Additive Willmann.

Nel modello tradizionale, alla fine di un ordine qualcuno deve raccogliere certificati, rapporti, parametri e risultati e costruire il dossier da consegnare al cliente o conservare per un audit.

Con una catena digitale collegata alla produzione, una parte significativa di queste informazioni viene associata automaticamente mentre il componente attraversa le diverse fasi.

Il vantaggio non consiste soltanto nel risparmio di ore di lavoro amministrativo. Si riduce anche il rischio che una registrazione sia dimenticata o che due documenti facciano riferimento a revisioni differenti.

Questo diventa particolarmente importante per la produzione seriale. Preparare manualmente un dossier per un prototipo può essere accettabile. Ripetere la stessa attività centinaia di volte può diventare un costo rilevante e, soprattutto, una fonte di errori.

La qualifica della macchina può essere monitorata nel tempo

Un’altra funzione di amsight riguarda la qualificazione di processo e macchina. Nel Powder Bed Fusion non è sufficiente dimostrare una volta che una piattaforma produce parti conformi: bisogna verificare che continui a farlo.

Interventi di manutenzione, sostituzione di componenti ottici, variazioni della distribuzione del gas o altre condizioni possono modificare progressivamente il comportamento della macchina.

La piattaforma permette di organizzare dati relativi a Installation Qualification, Operational Qualification e Performance Qualification e di utilizzare SPC per confrontare prestazioni nel tempo. Può quindi diventare più semplice verificare se la macchina rimane all’interno delle condizioni dimostrate durante la qualificazione iniziale.

Questo concetto è importante anche per la scalabilità. Se un componente deve passare da una macchina a un’altra o la capacità produttiva viene aumentata aggiungendo un nuovo sistema, è necessario dimostrare che il nuovo impianto produca risultati comparabili.

La varietà dei materiali aumenta rapidamente il numero delle combinazioni da controllare

Additive Willmann lavora con un portafoglio ampio di materiali. Per le proprie attività SLM cita Inconel 718, AlSi10Mg, alluminio 7075, Ti6Al4V, acciaio inox 316L, 1.4021, 20MnCr5, 42CrMo4, maraging steel 1.2709 e sta sviluppando processi anche per CuCr1Zr e niobio C103.

Sul fronte Binder Jetting sono presenti, tra gli altri, 316L e 17-4PH, con ulteriori materiali in sviluppo.

Ogni nuova combinazione tra materiale, macchina e parameter set amplia la matrice da qualificare e mantenere sotto controllo. Aggiungendo trattamenti termici e differenti percorsi di post-processing, il numero delle possibili varianti cresce ancora.

È uno dei motivi per cui il problema della qualità AM diventa progressivamente un problema di gestione dati. La conoscenza necessaria non può rimanere esclusivamente nella memoria degli specialisti che hanno sviluppato il processo.

Il monitoraggio in-situ deve essere collegato al resto della storia produttiva

Additive Willmann indica anche sistemi di monitoraggio in-situ all’interno delle proprie capacità SLM. Questi strumenti permettono di raccogliere informazioni mentre il componente viene costruito.

Il valore dei dati aumenta però se possono essere correlati con ciò che accade successivamente. Se una determinata anomalia viene rilevata durante la deposizione e la tomografia finale identifica un difetto nella stessa zona, la correlazione contribuisce a capire quali segnali siano realmente predittivi.

Lo stesso vale per manutenzione, posizione sulla piattaforma, stato della polvere e proprietà finali.

Una delle grandi sfide dell’AM non è infatti la mancanza di dati, ma la presenza di quantità crescenti di informazioni scollegate. Un sistema qualità digitale può diventare utile proprio quando permette di chiedere non soltanto “cosa è accaduto durante questa costruzione?”, ma “quali condizioni erano presenti ogni volta che questo tipo di difetto è comparso?”.

L’obiettivo finale è produrre evidenza di qualità insieme al componente

L’integrazione di amsight in Additive Willmann è quindi significativa soprattutto perché mostra quanto il software stia diventando parte dell’infrastruttura produttiva dell’Additive Manufacturing.

Nella fase prototipale della stampa 3D l’attenzione era concentrata sulla capacità della macchina di realizzare una geometria. Nella produzione industriale la domanda è diversa: è possibile produrre la stessa geometria con caratteristiche controllate per decine, centinaia o migliaia di volte e dimostrarlo?

Per rispondere non sono sufficienti una stampante più veloce o un nuovo materiale. Sono necessarie qualificazione, controllo statistico, gestione della polvere, tracciabilità, monitoraggio delle macchine, integrazione del post-processing e documentazione.

Additive Willmann sta quindi utilizzando amsight non come semplice strumento per digitalizzare documenti esistenti, ma come livello destinato a collegare questi elementi.

L’obiettivo dichiarato è ridurre attività manuali e rendere più semplice il passaggio verso produzioni seriali mantenendo una storia completa del componente dalla polvere fino alla consegna. I benefici effettivi in termini di riduzione di tempi, costi e scarti dovranno essere misurati sull’implementazione di Additive Willmann: al momento non sono stati pubblicati valori quantitativi specifici ottenuti dall’azienda dopo l’introduzione del software.

Questo ultimo punto è importante. amsight presenta dati di riduzione del lavoro documentale e degli scarti ottenuti presso altri propri clienti, ma non sarebbe corretto attribuire automaticamente gli stessi risultati a Additive Willmann. Il valore dell’accordo dovrà emergere dall’utilizzo reale.

La direzione industriale è però chiara. Man mano che l’AM metallico passa dalla produzione di prototipi e piccoli lotti verso componenti seriali per aerospace, medicale e difesa, la qualità non può più essere ricostruita dopo la produzione attraverso fogli Excel e cartelle condivise. Deve essere generata, collegata e conservata mentre la parte viene prodotta. In questo senso la vera innovazione dell’integrazione tra Additive Willmann e amsight non consiste nell’aggiungere un altro software alla fabbrica, ma nel tentativo di rendere la storia digitale del componente una parte integrante del componente stesso.

Tabelle tecniche

Additive Willmann e integrazione amsight

Additive Willmann – capacità SLM dichiarate

Additive Willmann – capacità Metal Binder Jetting dichiarate

Materiali indicati da Additive Willmann

Quali informazioni può collegare amsight al componente