La produzione additiva metallica continua ad ampliare il proprio campo di applicazione verso componenti caratterizzati da masse e dimensioni che fino a pochi anni fa rendevano poco realistico pensare alla stampa 3D come alternativa ai processi convenzionali. Un nuovo progetto sviluppato in Corea del Sud da UNIST – Ulsan National Institute of Science and Technology insieme a 3DFactory punta ora a trasferire il Wire Arc Additive Manufacturing, meglio conosciuto come WAAM, alla produzione di componenti navali con dimensioni nell’ordine dei cinque metri.
Il programma riguarda in particolare lo sviluppo di grandi eliche navali e si inserisce in un progetto di ricerca selezionato dal Ministero coreano del Commercio, dell’Industria e dell’Energia. Il piano di lavoro prevede una durata di 54 mesi e risorse complessive per circa 11 miliardi di won, dei quali 8,5 miliardi provenienti da finanziamenti pubblici destinati alle attività di ricerca e sviluppo.
L’obiettivo di UNIST e 3DFactory non consiste semplicemente nella costruzione di un dimostratore di grandi dimensioni. Il progetto comprende infatti l’intera catena necessaria per trasformare il WAAM in un processo utilizzabile nel settore navale: progettazione specifica per additive manufacturing, controllo della deposizione, compensazione delle deformazioni, verifica delle caratteristiche del componente, prove prestazionali e percorso di certificazione.
Perché produrre un’elica navale con il WAAM
Le eliche delle navi di grandi dimensioni vengono normalmente realizzate mediante fusione, utilizzando processi industriali consolidati e materiali studiati per resistere alle condizioni operative in ambiente marino.
La fusione rimane un metodo estremamente efficace per la produzione di componenti massicci, ma richiede la preparazione di modelli e stampi, una gestione accurata del metallo fuso e diverse lavorazioni successive per raggiungere le tolleranze dimensionali richieste.
Nel caso di componenti prodotti in quantità limitate, di geometrie personalizzate oppure di ricambi destinati a navi non più in produzione, la realizzazione delle attrezzature necessarie può incidere in modo significativo sui tempi e sui costi complessivi.
È proprio in questo spazio produttivo che UNIST e 3DFactory intendono valutare il WAAM.
Il Wire Arc Additive Manufacturing utilizza un filo metallico come materiale di alimentazione e una sorgente ad arco per fondere il metallo. La materia prima viene depositata secondo una traiettoria controllata digitalmente e la geometria viene costruita attraverso una successione di cordoni e strati.
Il processo deriva da tecnologie di saldatura industriale, ma nella produzione additiva il movimento della torcia, l’alimentazione del filo, l’apporto termico, la velocità di deposizione e la sequenza degli strati vengono coordinati in modo da costruire un componente tridimensionale partendo direttamente dal modello digitale.
Il vantaggio delle grandi dimensioni
Il WAAM presenta caratteristiche che lo rendono particolarmente interessante quando la dimensione del componente cresce.
Nei sistemi di stampa 3D metallica basati su letto di polvere, le dimensioni massime del pezzo dipendono direttamente dal volume della camera di costruzione. Per produrre un componente lungo diversi metri sarebbe quindi necessario realizzare macchine con camere di processo altrettanto grandi, con conseguenze rilevanti in termini di complessità e costi.
Il WAAM utilizza invece sistemi robotizzati, assi lineari e posizionatori che possono essere configurati attorno al componente da produrre. La zona di lavoro può quindi essere adattata più facilmente a geometrie di grandi dimensioni.
Per UNIST e 3DFactory, questa caratteristica rappresenta uno dei punti centrali del progetto dedicato alle eliche di classe cinque metri.
La tecnologia consente inoltre di utilizzare filo metallico, una materia prima industriale disponibile in numerose leghe e generalmente più semplice da movimentare rispetto alle polveri metalliche impiegate in altri processi additivi.
Non si tratta di stampare un’elica già finita
L’impiego del termine stampa 3D può far pensare che il componente esca dalla macchina direttamente pronto per essere montato sulla nave. Nel caso di un’elica prodotta tramite WAAM, il processo industriale è più articolato.
La deposizione viene normalmente utilizzata per ottenere una geometria vicina alla forma finale, definita in ambito produttivo come near-net shape. Viene lasciato materiale aggiuntivo nelle aree che dovranno successivamente essere lavorate.
Al termine della fase additiva entrano quindi in gioco processi sottrattivi come fresatura e lavorazioni CNC, necessari per raggiungere le tolleranze dimensionali e la qualità superficiale richiesta.
Per un’elica navale questo aspetto è particolarmente importante. Il profilo delle pale influenza infatti il comportamento idrodinamico dell’intero sistema propulsivo e piccole variazioni geometriche possono incidere sulle prestazioni.
Il vantaggio del WAAM non consiste quindi nell’eliminare ogni lavorazione successiva, ma nel ridurre la quantità di materiale che deve essere inizialmente prodotta e poi asportata rispetto ad altri approcci.
UNIST lavorerà sul Design for Additive Manufacturing
Una delle responsabilità principali di UNIST riguarda lo sviluppo di metodologie DfAM, acronimo di Design for Additive Manufacturing.
Progettare un componente specificamente per la produzione additiva significa considerare fin dalle prime fasi le caratteristiche del processo che verrà utilizzato per costruirlo.
Nel progetto di UNIST e 3DFactory, questo lavoro dovrà tenere conto delle variazioni dello spessore, delle superfici curve delle pale, dell’orientamento della deposizione e della distribuzione locale del materiale.
Non è sufficiente prendere il modello CAD di un’elica tradizionalmente fusa e trasferirlo direttamente sulla macchina WAAM.
La sequenza con cui vengono depositati gli strati deve essere studiata in funzione della geometria e del comportamento termico del componente. Anche l’orientamento della torcia e la suddivisione del pezzo in differenti zone di deposizione possono influenzare il risultato finale.
La progettazione deve inoltre prevedere le superfici che verranno successivamente lavorate con macchine utensili e il sovrametallo necessario per raggiungere le dimensioni definitive.
Il problema dell’accumulo di calore
Una delle difficoltà principali nella produzione WAAM di componenti di grandi dimensioni riguarda il controllo della temperatura.
Ogni nuovo cordone di metallo viene depositato allo stato fuso sopra materiale prodotto in precedenza. La zona interessata viene quindi sottoposta a ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento.
Questi cicli influenzano la microstruttura del materiale e possono generare tensioni residue.
Con l’aumento delle dimensioni del pezzo, la gestione dell’apporto termico diventa ancora più complessa. Le differenti zone dell’elica possono riscaldarsi e raffreddarsi con velocità diverse, generando deformazioni durante la costruzione.
Per un componente lungo circa cinque metri, anche variazioni percentualmente limitate possono trasformarsi in deviazioni dimensionali importanti.
Per questo UNIST e 3DFactory prevedono di sviluppare sistemi specifici per prevedere e compensare le deformazioni prima che compromettano la geometria finale.
L’intelligenza artificiale per prevedere le deformazioni
Il programma include l’impiego di algoritmi di intelligenza artificiale destinati ad analizzare i dati provenienti dalla progettazione, dalla deposizione e dalle successive attività di controllo.
Il principio è quello della compensazione geometrica.
Se il sistema riesce a prevedere in quale direzione e con quale intensità una determinata zona tenderà a deformarsi durante la produzione, il modello digitale può essere modificato preventivamente.
La geometria iniziale viene quindi leggermente alterata in direzione opposta rispetto alla deformazione prevista. Dopo i cicli termici e la contrazione del materiale, il componente dovrebbe avvicinarsi alla forma geometrica richiesta dal progetto originale.
Per costruire un modello predittivo efficace, UNIST e 3DFactory dovranno raccogliere una grande quantità di dati relativi al processo: temperatura, posizione della torcia, velocità di avanzamento, quantità di materiale depositato, geometria dei cordoni, tempi di raffreddamento e scostamenti dimensionali.
L’intelligenza artificiale viene quindi utilizzata come strumento di supporto al controllo della produzione, non come sostituto delle attività di simulazione, misura e verifica.
Verso sistemi WAAM più automatizzati
Un altro punto del progetto riguarda il livello di automazione.
Per produrre componenti navali di cinque metri non basta avere a disposizione un robot capace di movimentare una torcia.
La macchina deve conoscere con precisione la posizione del componente, gestire traiettorie che possono cambiare da uno strato al successivo e correggere le variazioni generate durante molte ore di lavoro.
Il sistema sviluppato da UNIST e 3DFactory dovrà quindi integrare progettazione digitale, movimentazione robotizzata, deposizione, monitoraggio e controllo dimensionale.
L’obiettivo dichiarato è arrivare a una soluzione utilizzabile anche direttamente all’interno o in prossimità dei cantieri navali.
Questo potrebbe assumere particolare importanza nella produzione di ricambi e nella manutenzione delle flotte, perché permetterebbe di ridurre la dipendenza da grandi componenti conservati fisicamente a magazzino.
Il ruolo del 3D Printing Convergence Technology Center di UNIST
Il progetto può contare sulle infrastrutture dedicate alla produzione additiva sviluppate da UNIST a Ulsan.
Il 3D Printing Convergence Technology Center dell’università sudcoreana è stato inaugurato nel febbraio 2024 e dispone di oltre 5.800 metri quadrati dedicati alle tecnologie additive.
Il centro ospita decine di sistemi di ricerca e produzione destinati alla lavorazione di metalli, polimeri e materiali compositi e nasce con l’obiettivo di trasferire le tecnologie di additive manufacturing verso applicazioni industriali.
La collocazione a Ulsan assume inoltre un significato particolare.
La città rappresenta uno dei principali poli industriali della Corea del Sud e concentra un ecosistema legato a cantieristica, automotive, manifattura pesante e attività offshore.
Per UNIST, lavorare sul WAAM applicato alla costruzione navale significa quindi sviluppare la tecnologia in un territorio nel quale le possibili applicazioni industriali possono essere valutate direttamente insieme al settore produttivo.
La certificazione è un passaggio decisivo
Realizzare fisicamente un’elica tramite stampa 3D non significa automaticamente poterla installare su una nave.
Per componenti destinati alla propulsione navale devono essere dimostrate caratteristiche precise in termini di materiale, resistenza meccanica, integrità, comportamento a fatica e ripetibilità della produzione.
Il programma di UNIST e 3DFactory prevede per questo anche prove prestazionali e attività finalizzate alla certificazione di classe.
Il settore dispone già di precedenti e procedure specifiche.
Organizzazioni di classificazione come DNV e Bureau Veritas hanno sviluppato negli anni standard e linee guida destinate alla qualificazione dei processi di additive manufacturing e, nel caso di Bureau Veritas, esistono indicazioni specifiche anche per prodotti metallici costruiti mediante Wire Arc Additive Manufacturing.
La qualificazione non riguarda soltanto il componente finale.
Devono essere controllati anche il materiale di partenza, i parametri di produzione, la macchina, il processo, le procedure di ispezione e la capacità di ottenere risultati ripetibili.
Questo aspetto sarà determinante per capire se il processo sviluppato da UNIST e 3DFactory potrà uscire dall’ambito della sperimentazione ed essere utilizzato per componenti destinati al servizio.
Il precedente del WAAMpeller di RAMLAB
L’applicazione del WAAM alle eliche navali non parte da zero.
Uno dei progetti di riferimento è il WAAMpeller sviluppato nei Paesi Bassi da RAMLAB insieme a Damen Shipyards Group, Promarin, Autodesk e Bureau Veritas.
Il componente venne prodotto utilizzando una lega di bronzo nichel-alluminio e una tecnologia di deposizione Wire Arc Additive Manufacturing.
Dopo la produzione additiva, l’elica fu sottoposta alle lavorazioni e alle verifiche necessarie per ottenere l’approvazione di classe da parte di Bureau Veritas.
Il progetto dimostrò che il WAAM poteva essere applicato non soltanto a semplici strutture metalliche, ma anche a un componente caratterizzato da superfici tridimensionali complesse e requisiti funzionali precisi.
L’esperienza di RAMLAB, Damen Shipyards Group, Promarin, Autodesk e Bureau Veritas rappresenta quindi uno dei precedenti industriali più importanti per il lavoro che UNIST e 3DFactory stanno portando su una scala dimensionale superiore.
L’esperienza di Naval Group con un’elica da 2,5 metri
Un altro riferimento arriva da Naval Group.
L’azienda francese ha prodotto mediante additive manufacturing metallico un’elica con un diametro di circa 2,5 metri composta da cinque pale, ognuna con una massa nell’ordine dei 200 chilogrammi.
Il componente è stato sottoposto al percorso di certificazione di Bureau Veritas e successivamente installato su un cacciamine della classe Tripartite.
Questo caso è significativo perché dimostra il passaggio dalla fase dimostrativa all’installazione di un componente prodotto in additive manufacturing su una nave destinata a operazioni reali.
Il progetto di UNIST e 3DFactory mira ora a lavorare su una scala ancora maggiore, affrontando le difficoltà associate alla produzione di componenti nell’ordine dei cinque metri.
Perché il mercato dei ricambi navali è interessante per la stampa 3D
La produzione di ricambi rappresenta uno degli ambiti più interessanti per l’additive manufacturing nel settore marittimo.
Una nave può rimanere in servizio per decenni. Durante questo periodo alcuni componenti possono uscire di produzione, le attrezzature originali possono essere eliminate oppure il fornitore può non essere più disponibile.
Con un processo produttivo basato su modelli digitali, parte del magazzino fisico può essere sostituita da un inventario digitale, a condizione che il componente possa essere prodotto con materiali, macchine e procedure qualificate.
Per le grandi eliche la questione è più complessa rispetto a piccoli ricambi, ma il principio rimane lo stesso.
La capacità di UNIST e 3DFactory di produrre componenti di grandi dimensioni senza costruire uno stampo dedicato potrebbe risultare interessante nei casi in cui siano richiesti pezzi unici, serie limitate oppure geometrie non più disponibili attraverso le normali linee produttive.
L’interesse verso il mercato MRO della Marina statunitense
Nel progetto viene indicata anche una possibile applicazione nel settore MRO della Marina degli Stati Uniti.
MRO significa Maintenance, Repair and Overhaul e comprende manutenzione, riparazione, revisione e sostituzione dei componenti necessari per mantenere operative le unità navali.
Per flotte numerose e distribuite su differenti basi, la possibilità di produrre alcuni ricambi vicino al luogo di utilizzo può ridurre i problemi legati alla disponibilità delle parti e alle catene logistiche.
L’eventuale impiego del processo sviluppato da UNIST e 3DFactory per la U.S. Navy richiederebbe però qualifiche specifiche e verifiche molto rigorose.
La produzione additiva non elimina infatti i requisiti previsti per un componente navale critico. Li trasferisce, in parte, dalla verifica del singolo pezzo al controllo dell’intero sistema produttivo.
WAAM e fusione non sono necessariamente concorrenti diretti
Il progetto non implica che il WAAM sia destinato a sostituire completamente la fusione nella produzione delle eliche navali.
Per grandi volumi e componenti standardizzati, la fusione continuerà a offrire vantaggi importanti grazie a processi consolidati e catene produttive ottimizzate.
Il WAAM diventa invece particolarmente interessante quando aumentano le esigenze di personalizzazione, diminuiscono i volumi oppure diventa importante ridurre il numero di attrezzature specifiche.
Anche la possibilità di intervenire rapidamente sulla geometria digitale rappresenta un vantaggio.
Una modifica progettuale può essere trasferita direttamente alla programmazione del processo additivo senza dover realizzare necessariamente un nuovo modello fisico per lo stampo.
Per questo motivo è più corretto considerare il WAAM come una tecnologia complementare alla fusione, capace di occupare aree produttive nelle quali flessibilità e tempi di risposta hanno un peso elevato.
Il nodo della qualità metallurgica
Le dimensioni non rappresentano l’unica sfida per UNIST e 3DFactory.
Un’elica deve lavorare per periodi prolungati sottoposta a carichi ciclici, vibrazioni, cavitazione e ambiente corrosivo.
Le proprietà del materiale depositato mediante WAAM dipendono dalla composizione della lega ma anche dalla storia termica generata durante la costruzione.
Velocità di avanzamento, quantità di materiale depositato, temperatura tra uno strato e quello successivo e strategia di deposizione possono modificare microstruttura e proprietà meccaniche.
Per questo i programmi industriali dedicati al WAAM utilizzano sistemi di monitoraggio sempre più sofisticati e affiancano alla produzione prove metallografiche, controlli non distruttivi e test meccanici.
La vera industrializzazione della tecnologia dipende dalla capacità di dimostrare che lo stesso processo produce risultati prevedibili e ripetibili.
Una sfida di processo più che di dimensioni
Costruire un componente di cinque metri attirerà inevitabilmente l’attenzione per la sua scala, ma il valore tecnico del programma di UNIST e 3DFactory sarà determinato soprattutto dalla capacità di controllare il processo.
La produzione di una grande elica richiede di integrare numerose competenze: progettazione DfAM, robotica, saldatura, metallurgia, simulazione termica, intelligenza artificiale, lavorazione CNC, metrologia e certificazione.
Se il progetto raggiungerà gli obiettivi previsti, il risultato non sarà soltanto una grande elica prodotta mediante additive manufacturing.
UNIST e 3DFactory avranno definito una metodologia utilizzabile per realizzare altre categorie di componenti metallici di grandi dimensioni destinati alla cantieristica, alle strutture offshore e alla manutenzione industriale.
Ed è proprio questo il punto più interessante del programma: portare il WAAM fuori dalla logica del singolo dimostratore e verificare se può diventare una tecnologia produttiva integrata, certificabile e ripetibile per componenti navali di grandi dimensioni.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
