La manifattura additiva metallica si afferma come alternativa concreta

I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno dimostrato attraverso uno studio approfondito che la stampa 3D di stampi metallici offre un approccio più veloce, economicamente vantaggioso e flessibile per la produzione di componenti compositi di grandi dimensioni destinati ai veicoli di massa rispetto ai metodi tradizionali di lavorazione degli utensili. Questa ricerca, condotta presso il Manufacturing Demonstration Facility (MDF) dell’ORNL, apre nuove prospettive per l’accelerazione nell’adozione di materiali compositi leggeri nel settore automobilistico.

Il problema della lavorazione tradizionale degli stampi

La produzione convenzionale di utensili metallici presenta criticità significative che limitano l’efficienza produttiva. Tradizionalmente, gli utensili metallici vengono realizzati sottraendo materiale da grandi blocchi di acciaio forgiato – un processo che rimuove fino al 98% del materiale originale, genera sprechi significativi e spesso richiede mesi a causa dei ritardi nella catena di approvvigionamento. Questo approccio sottrattivo comporta non solo perdite economiche considerevoli, ma anche tempi di realizzazione estesi che rallentano l’intero ciclo produttivo.

La dipendenza da blocchi massicci di acciaio forgiato crea inoltre vulnerabilità nella catena di approvvigionamento, con possibili interruzioni che possono paralizzare la produzione di componenti automotive critici. Il Manufacturing Demonstration Facility dell’ORNL ha identificato in questa problematica una opportunità per testare soluzioni alternative basate sulla manifattura additiva.

L’approccio innovativo della saldatura ad arco elettrico

Il progetto sviluppato presso l’ORNL utilizza un processo di manifattura additiva basato su Gas Metal Arc Welding (GMAW), una tecnica che impiega filo di acciaio inossidabile ER410 come materiale di alimentazione. Il processo GMAW utilizza un arco elettrico per fondere un elettrodo di filo consumabile per costruire strati metallici e creare componenti complessi utilizzando un gas di protezione per prevenire la contaminazione.

Questa metodologia presenta vantaggi sostanziali rispetto alla lavorazione sottrattiva tradizionale. Al contrario, la manifattura additiva riduce gli sprechi a circa il 10%, utilizzando filo per saldatura ampiamente disponibile come materia prima. La disponibilità del materiale base rappresenta un fattore chiave per la sostenibilità economica del processo, eliminando la dipendenza da fornitori specializzati di blocchi forgiati.

Geometrie complesse e funzionalità integrate

Uno degli aspetti più significativi della ricerca condotta dall’ORNL riguarda la possibilità di integrare geometrie complesse direttamente nel design degli stampi. La manifattura additiva consente inoltre agli ingegneri di produrre geometrie di stampi più complesse, come canali di riscaldamento interni, che sarebbero difficili da ottenere utilizzando lavorazioni meccaniche convenzionali.

Andrzej Nycz, ricercatore principale del gruppo Manufacturing Robotics and Controls dell’ORNL, sottolinea come “Più complessa è la forma, più preziosa diventa la manifattura additiva”. Questa caratteristica apre possibilità progettuali prima impensabili, permettendo l’integrazione di sistemi di controllo termico, canali di raffreddamento ottimizzati e altre funzionalità che migliorano le prestazioni degli stampi.

Collaborazione industriale e validazione pratica

Per verificare la validità del concetto, il team di ricerca ha stabilito una partnership con Collaborative Composites Solutions (CCS), operatore del IACMI – The Composites Institute. L’obiettivo era testare la tecnologia su un caso d’uso concreto e industrialmente rilevante: la realizzazione di uno stampo per involucro batteria di grandi dimensioni.

Il progetto ha coinvolto Lincoln Electric Additive Solutions per la produzione effettiva degli stampi. Utilizzando un processo di manifattura additiva GMAW presso Lincoln Electric Additive Solutions, sono state stampate due matrici quasi finite in filo di acciaio inossidabile ER410. La scelta dell’acciaio inossidabile ER410 è stata dettata dalle caratteristiche meccaniche richieste per applicazioni automotive, dove la resistenza alla corrosione e le proprietà strutturali sono fondamentali.

Strategie di ottimizzazione del peso e delle prestazioni

Un aspetto cruciale del progetto ha riguardato lo sviluppo di strategie specifiche per l’ottimizzazione del peso degli stampi senza compromettere le prestazioni strutturali. Il team ha applicato una strategia di percorso utensile specializzata per la riduzione del peso mantenendo la resistenza. Questa approccio dimostra come la manifattura additiva permetta non solo di replicare le funzionalità degli stampi tradizionali, ma di superarle attraverso design ottimizzati.

Le analisi successive hanno confermato l’efficacia di questa strategia. L’analisi successiva ha confermato che lo stampo alleggerito soddisfaceva i requisiti di prestazione strutturale, validando la fattibilità della manifattura additiva per utensili di produzione ad alte prestazioni. Questi risultati rappresentano un punto di svolta per l’accettazione della tecnologia nell’ambiente produttivo automobilistico.

Implicazioni per la reindustrializzazione americana

La ricerca dell’ORNL si inserisce in un contesto più ampio di rilancio della manifattura americana. “Questo tipo di tecnologia può aiutare a reindustrializzare gli Stati Uniti e aumentare la loro competitività creando modi più intelligenti e veloci per costruire strumenti essenziali”, ha affermato Andrzej Nycz. L’approccio proposto promette di ridurre la dipendenza da catene di approvvigionamento complesse e di accelerare i tempi di sviluppo prodotto.

La visione a lungo termine include l’evoluzione verso processi produttivi completamente automatizzati. Come evidenziato da Nycz, questa tecnologia “Ci avvicina a un processo di produzione automatizzato e intelligente”. L’integrazione con sistemi di controllo avanzati e intelligenza artificiale potrebbe portare a fabbriche completamente autonome per la produzione di utensili specializzati.

Supporto istituzionale e network di collaborazione

Il progetto ha beneficiato del supporto finanziario del Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Il progetto è stato finanziato dall’Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) del DOE. Questo supporto istituzionale dimostra l’importanza strategica attribuita a livello governativo allo sviluppo di tecnologie manifatturiere avanzate.

Il team di ricerca ha visto la partecipazione di specialisti da diverse organizzazioni. Ulteriori ricercatori che hanno contribuito a questo progetto includono John Unser del Composite Applications Group, Peter Wang dell’ORNL, e Jason Flamm e Jonathan Paul di Lincoln Electric Additive Solutions. Questa collaborazione multidisciplinare ha garantito l’integrazione di competenze complementari essenziali per il successo del progetto.

Il Manufacturing Demonstration Facility come catalizzatore

Il MDF, supportato da AMMTO, è un consorzio nazionale di collaboratori che lavorano con l’ORNL per innovare, ispirare e catalizzare la trasformazione della manifattura statunitense. Questa struttura rappresenta un modello di collaborazione pubblico-privata che facilita il trasferimento tecnologico dalla ricerca all’applicazione industriale.

Il ruolo del MDF va oltre la semplice ricerca, fungendo da ponte tra mondo accademico e industria. Le facilities disponibili permettono la validazione di tecnologie innovative su scala industriale, riducendo i rischi per le aziende interessate all’adozione di nuove metodologie produttive.

Prospettive future per l’industria automobilistica

I risultati ottenuti dall’ORNL aprono nuove possibilità per l’industria automobilistica americana, particolarmente nel contesto della transizione verso veicoli elettrici dove la leggerezza dei componenti è