iAM3D ha presentato LPW Z2500, il modello di punta della propria serie XXL dedicata alla produzione additiva metallica di grande formato. La macchina utilizza la tecnologia Laser Directed Energy Deposition, abbreviata in L-DED, e mette a disposizione un volume operativo dichiarato di 2.000 × 2.000 × 2.500 millimetri.
La proposta di iAM3D non si limita alla costruzione additiva di nuovi componenti. LPW Z2500 è stata progettata per riunire nella stessa piattaforma la produzione di geometrie metalliche, il rivestimento superficiale, la riparazione di parti usurate e la ricostruzione di sezioni danneggiate. La configurazione comprende alimentazione sia a polvere sia a filo metallico, una camera controllata in argon, un laser in fibra da 6 kW e un sistema di movimentazione multiasse.
I settori indicati da iAM3D comprendono aerospazio, difesa, energia, petrolio e gas, industria navale, estrazione mineraria, ingegneria pesante e ricerca sui materiali. In questi ambiti vengono impiegati componenti costosi, difficili da ottenere attraverso la sola lavorazione sottrattiva e spesso troppo grandi per le comuni macchine a letto di polvere.
Come funziona la deposizione diretta di energia
La Directed Energy Deposition è una famiglia di processi additivi nei quali il materiale viene fornito direttamente nella zona di lavorazione e fuso attraverso una sorgente concentrata di energia.
Nel caso della LPW Z2500, la sorgente è un laser. La testa crea un bagno di fusione sulla superficie del componente o del substrato, mentre polvere o filo metallico vengono alimentati nella stessa area. Il materiale si fonde, si lega metallurgicamente allo strato sottostante e solidifica mentre la testa prosegue lungo il percorso programmato.
Ripetendo l’operazione, la macchina può costruire una nuova geometria oppure aggiungere materiale a un pezzo esistente. Questa seconda possibilità distingue la DED da numerosi processi a letto di polvere, nei quali la produzione avviene all’interno di un volume riempito con materiale e non è semplice lavorare direttamente su una parte industriale già fabbricata.
La tecnologia può quindi essere utilizzata per ricostruire il diametro di un albero usurato, applicare uno strato resistente alla corrosione, ripristinare una pala, modificare localmente una superficie oppure produrre un componente vicino alla forma finale.
Il risultato viene spesso definito “near-net shape”: il pezzo esce dalla fase additiva con una geometria prossima a quella richiesta, ma può richiedere fresatura, tornitura, rettifica, trattamenti termici e controlli non distruttivi prima di essere impiegato.
Un volume operativo da due metri per due e mezzo di altezza
Il principale elemento distintivo della LPW Z2500 è la scala. iAM3D dichiara un volume di deposizione di 2.000 millimetri lungo gli assi X e Y e di 2.500 millimetri lungo l’asse Z.
Quando viene utilizzato il posizionatore inclinabile e rotante, l’altezza utile dichiarata scende a un massimo di 1.800 millimetri. La differenza è dovuta allo spazio occupato dall’attrezzatura necessaria per orientare il componente durante la deposizione.
La camera della macchina misura circa 3.750 × 3.600 × 4.450 millimetri. A queste dimensioni devono essere aggiunti gli spazi per l’accesso, la manutenzione, l’alimentazione dei materiali, il sistema laser, la gestione dell’argon e la movimentazione dei pezzi.
Non si tratta quindi di un’apparecchiatura destinata a essere inserita in un normale reparto senza interventi preliminari. L’installazione richiede la verifica delle fondazioni, dei percorsi di movimentazione, della ventilazione, delle forniture elettriche e delle procedure per la gestione dei gas inerti e delle polveri metalliche.
LPW Z2500 richiede un’alimentazione trifase a 400 volt e può assorbire fino a 80 kW. Il valore comprende i principali sottosistemi della macchina, ma il consumo durante una lavorazione dipende dalla potenza laser utilizzata, dal materiale, dal ciclo di deposizione e dal funzionamento dell’impianto di purificazione.
Polvere e filo nella stessa macchina
Uno degli aspetti centrali della LPW Z2500 è la presenza di due modalità di alimentazione del materiale.
La deposizione a filo permette di introdurre nel bagno di fusione un materiale continuo. Questo approccio può offrire una buona efficienza nell’utilizzo della materia prima e velocità elevate nella costruzione di volumi consistenti. Il filo è inoltre più semplice da contenere rispetto alla polvere e riduce alcune delle operazioni legate al recupero e alla setacciatura del materiale.
La deposizione a polvere consente invece di controllare con maggiore flessibilità il flusso di materiale e di realizzare cordoni più piccoli. Può risultare adatta alla costruzione di dettagli, alla riparazione localizzata, al rivestimento e allo sviluppo di composizioni differenziate.
iAM3D propone un flusso nel quale il filo può essere utilizzato per costruire rapidamente la parte principale del componente, mentre la polvere può intervenire nelle zone che richiedono maggiore precisione o un materiale differente.
Il passaggio tra le due modalità avviene attraverso un sistema di commutazione del fascio laser. Secondo iAM3D, il cambio può essere eseguito senza un intervento manuale sulla configurazione ottica principale.
Questa architettura consente di mantenere nella stessa macchina due strategie produttive che, in altri impianti, richiederebbero piattaforme separate.
Velocità differenti per costruzione e rivestimento
Le portate dichiarate cambiano in funzione del materiale di alimentazione e del tipo di lavorazione.
Con la polvere, iAM3D indica una velocità fino a 1 chilogrammo all’ora nella fabbricazione libera di geometrie tridimensionali. Nei processi di cladding, nei quali il materiale viene depositato sulla superficie di un componente, la portata può raggiungere 3 chilogrammi all’ora.
Con il filo metallico, la velocità massima dichiarata arriva a 4 chilogrammi all’ora.
Questi valori rappresentano limiti indicativi e non garantiscono la stessa portata per ogni lega. La quantità realmente depositabile dipende dalla potenza del laser, dal diametro del filo, dalla granulometria della polvere, dalla geometria del cordone, dalla velocità di avanzamento e dal comportamento termico del pezzo.
Una deposizione più rapida non corrisponde sempre a una riduzione proporzionale del tempo di produzione. Nei componenti di grandi dimensioni devono essere considerate le pause, il controllo della temperatura, la preparazione del substrato, i cambi di materiale, le verifiche intermedie e le lavorazioni finali.
Un laser in fibra da 6 kW
LPW Z2500 integra un laser in fibra da 6 kW. La documentazione tecnica indica ottiche da 200, 400 e 600 micrometri, selezionabili in funzione della dimensione del punto laser e del processo richiesto.
Un punto più piccolo può concentrare l’energia su una superficie ridotta e contribuire alla realizzazione di cordoni più stretti. Un’ottica più ampia permette di distribuire l’energia su un’area maggiore e può essere utilizzata per ottenere bagni di fusione e depositi più grandi.
Il sistema comprende una protezione contro la riflessione di ritorno. Questa funzione è importante durante la lavorazione di materiali che possono riflettere una parte dell’energia verso la sorgente laser.
La testa per la polvere utilizza un ugello anulare e dispone di una regolazione motorizzata lungo l’asse Z. Il bagno di fusione dichiarato può variare da circa 0,5 a 5 millimetri.
Una telecamera integrata consente di osservare la zona di lavorazione. Il sistema di alimentazione della polvere utilizza due contenitori da 1,5 litri e un controllo della portata di massa, con avvio e arresto sincronizzati con il processo.
La testa a filo gestisce diametri compresi tra 1 e 2,4 millimetri. iAM3D prevede anche un alimentatore opzionale per fili da 3,2 millimetri. Il sistema controlla eventuali interruzioni del filo, condizione che potrebbe provocare la prosecuzione del movimento senza il corretto apporto di materiale.
Una camera in argon per titanio e metalli reattivi
La LPW Z2500 è racchiusa in una camera controllata in argon. iAM3D dichiara livelli di ossigeno compresi tra 10 e 50 parti per milione, con la possibilità di raggiungere valori prossimi a 10 ppm nelle condizioni previste dal sistema.
Il controllo dell’atmosfera è necessario soprattutto per materiali come titanio, tantalio, niobio e leghe refrattarie. Quando vengono riscaldati, questi metalli possono reagire con ossigeno, azoto e umidità, con conseguenze sulla composizione chimica, sulla duttilità e sulle proprietà del deposito.
La macchina integra quindi sistemi per la purificazione del gas e il controllo dell’umidità. La gestione deve essere mantenuta durante l’intero ciclo, compresa la preparazione e il raffreddamento del componente quando il materiale rimane sensibile alla contaminazione.
L’argon non è tossico, ma può sostituire l’ossigeno presente nell’ambiente. Per questo motivo l’installazione di una macchina di tali dimensioni richiede sensori ambientali, ventilazione adeguata e procedure per la gestione di eventuali fuoriuscite.
iAM3D indica tra i materiali processabili leghe di titanio, nichel e cobalto, acciai inossidabili, acciai utensili, alluminio, niobio, tantalio e tungsteno. La possibilità tecnica di alimentare una lega non equivale però alla sua qualificazione per un’applicazione industriale.
Ogni combinazione tra materiale, geometria, potenza, velocità e strategia di deposizione deve essere sottoposta a prove metallurgiche e meccaniche prima dell’impiego in componenti critici.
Movimento multiasse per superfici non planari
La piattaforma viene descritta da iAM3D come un sistema a otto assi con controllo simultaneo a cinque assi.
Il numero complessivo considera la movimentazione della testa, gli assi del posizionatore e le funzioni ausiliarie della macchina. La deposizione simultanea a cinque assi permette alla testa e al componente di cambiare orientamento durante la lavorazione.
In una macchina additiva tradizionale a tre assi, ogni strato viene depositato sopra quello precedente lungo piani paralleli. Un sistema multiasse può invece seguire superfici curve, inclinare il pezzo e mantenere la testa in una posizione più adatta rispetto alla zona di deposizione.
Questo riduce la necessità di rimuovere e riposizionare il componente, operazione che introdurrebbe errori di riferimento. Può inoltre rendere accessibili superfici che non potrebbero essere raggiunte mantenendo il pezzo fermo.
La precisione di movimento dichiarata è di 0,05 millimetri. Questo dato riguarda il sistema di posizionamento e non deve essere confuso con la precisione finale del componente depositato. Le dimensioni reali dipendono anche dalla larghezza del cordone, dall’accumulo termico, dal ritiro e dalle deformazioni prodotte durante la solidificazione.
Passaggio anteriore e posteriore per alberi e componenti lunghi
La struttura della LPW Z2500 dispone di aperture complete sul lato anteriore e posteriore.
La configurazione passante permette di introdurre alberi, cilindri, rulli e altri componenti più lunghi della camera. Una parte del pezzo può estendersi all’esterno mentre la sezione da lavorare viene posizionata nella zona protetta.
Questa soluzione è indirizzata soprattutto alla riparazione e al rivestimento di elementi impiegati nell’industria mineraria, navale, energetica e petrolifera.
Un albero di trasmissione o un rullo può perdere materiale in corrispondenza delle superfici di contatto senza essere danneggiato lungo tutta la propria lunghezza. In questi casi la sostituzione completa può comportare costi elevati e tempi di fermo prolungati.
La deposizione laser permette di rimuovere la zona deteriorata, ricostruirla con una lega compatibile e portarla alla misura finale mediante lavorazione meccanica.
La LPW Z2500 comprende una testa specifica per il rivestimento dei diametri interni. iAM3D dichiara la possibilità di lavorare fori con un diametro minimo di 85 millimetri e una lunghezza standard fino a 1.000 millimetri. Sono previste configurazioni opzionali che possono arrivare a 5.000 millimetri.
Una seconda testa è dedicata al rivestimento delle superfici esterne.
Movimentazione fino a cinque tonnellate
La macchina può essere equipaggiata con un posizionatore inclinabile e rotante con una capacità dichiarata di 500 chilogrammi.
Per i componenti più pesanti, iAM3D indica una navetta di movimentazione capace di sostenere fino a 5.000 chilogrammi. La navetta serve per introdurre e collocare i pezzi all’interno dell’area operativa.
La presenza di una portata di cinque tonnellate amplia le applicazioni nella riparazione, ma richiede attrezzature esterne compatibili. Il reparto dovrà disporre di gru, carroponti o mezzi di sollevamento adeguati e di percorsi capaci di sostenere il peso del componente e dei dispositivi di fissaggio.
La preparazione del pezzo comprende anche la progettazione delle attrezzature. Durante la deposizione, il componente deve rimanere stabile e mantenere il riferimento geometrico nonostante il movimento del posizionatore e le variazioni termiche.
Monitoraggio del bagno di fusione
iAM3D ha integrato nella LPW Z2500 un sistema di monitoraggio basato su telecamere HDR, pirometri e diagnostica di processo.
La telecamera HDR osserva il bagno di fusione gestendo differenze elevate di luminosità. Il pirometro misura la radiazione termica e fornisce informazioni sulla temperatura della zona interessata dal laser.
I dati possono essere utilizzati per rilevare cambiamenti nel comportamento del processo, come variazioni della dimensione del bagno, interruzioni nell’alimentazione, accumuli di calore o condizioni diverse da quelle previste.
La macchina dispone anche di imaging termico e di funzioni per l’elaborazione delle immagini. iAM3D collega questi strumenti a un software basato su machine learning e a una libreria di parametri destinata allo sviluppo dei processi.
L’azienda non ha ancora pubblicato informazioni complete sui modelli utilizzati, sui dati di addestramento, sulle variabili controllate e sui risultati ottenuti attraverso una regolazione automatica.
Il monitoraggio deve quindi essere distinto dalla certificazione del componente. Una telecamera può registrare il comportamento del bagno di fusione, ma per dimostrare l’idoneità di un pezzo possono essere necessari tomografia, ultrasuoni, controlli superficiali, analisi metallografiche e prove meccaniche.
La piattaforma registra gli eventi, lo stato della macchina e i dati di produzione. Sono inoltre previsti livelli differenziati di accesso per gli operatori e funzioni di tracciabilità.
Software CAM e preparazione dei percorsi
La preparazione dei percorsi avviene attraverso strumenti CAM a cinque assi. La LPW Z2500 supporta l’importazione di file STL ed è indicata come compatibile con Mastercam e Siemens NX.
Nella deposizione di grande formato non è sufficiente trasformare automaticamente un modello tridimensionale in strati uniformi. Il programmatore deve definire l’orientamento della testa, la sequenza dei cordoni, la direzione di crescita, le pause termiche e le aree nelle quali lasciare sovrametallo per la finitura.
Occorre inoltre evitare collisioni tra testa, pezzo, posizionatore e pareti della macchina. iAM3D dichiara un sistema di rilevamento delle collisioni con un tempo di risposta inferiore a 5 millisecondi.
La macchina può essere configurata per processi ibridi, nei quali la deposizione viene combinata con lavorazioni eseguite in altre stazioni. Un componente può essere costruito o riparato nella LPW Z2500, trasferito a un centro di fresatura e successivamente riportato alla stazione additiva per ulteriori operazioni.
La qualità del riferimento tra le diverse fasi diventa determinante per mantenere la corrispondenza tra deposito e superficie lavorata.
Sicurezza laser e gestione delle polveri
LPW Z2500 viene fornita come involucro laser di Classe 1. In condizioni normali, la radiazione rimane confinata all’interno della macchina.
La camera dispone di tredici porte per guanti, attraverso le quali possono essere eseguite alcune operazioni senza aprire completamente l’involucro e compromettere l’atmosfera controllata.
La sicurezza non riguarda soltanto il fascio laser. Le polveri metalliche fini possono essere inalabili, reattive o combustibili. Il rischio varia in funzione del materiale, della granulometria e delle modalità di manipolazione.
Titanio e alluminio in polvere richiedono procedure specifiche per evitare dispersioni e sorgenti di innesco. Anche le operazioni di pulizia, sostituzione dei contenitori e manutenzione del sistema di alimentazione devono essere pianificate.
Il filo riduce una parte dei rischi collegati alla polvere libera, ma non elimina quelli legati alla sorgente laser, ai componenti caldi, al gas inerte e alla movimentazione di carichi elevati.
Dalla produzione di nuovi pezzi alla rigenerazione
La combinazione di filo, polvere e movimento multiasse permette a iAM3D di proporre la stessa macchina per tre categorie principali di attività.
La prima è la produzione additiva di nuovi componenti di grandi dimensioni. In questo caso la LPW Z2500 può costruire preforme metalliche che verranno lavorate fino alla geometria finale.
La seconda è il laser cladding, cioè l’applicazione di un rivestimento metallurgicamente legato alla superficie. Una base relativamente economica può essere protetta con una lega più resistente all’usura, alla corrosione o alle temperature elevate.
La terza è la riparazione. Il materiale danneggiato viene rimosso, la geometria viene ricostruita mediante deposizione e la superficie viene lavorata fino alle dimensioni richieste.
Questa terza applicazione può ridurre il consumo di materia prima rispetto alla sostituzione completa, soprattutto nel caso di componenti che hanno perso soltanto una piccola parte del proprio volume.
La convenienza deve però essere valutata considerando ispezione iniziale, progettazione del ciclo, preparazione, deposizione, trattamento termico, finitura e qualificazione. Non ogni componente costoso è automaticamente riparabile attraverso L-DED.
Applicazioni in aerospazio, energia e industria pesante
Nel settore aerospaziale, iAM3D indica applicazioni quali ugelli per motori, serbatoi, alette, parti strutturali, pale e componenti in titanio o superleghe di nichel.
Nel comparto energetico, la piattaforma può essere impiegata per rivestire elementi esposti a usura, corrosione e temperature elevate. Nell’industria petrolifera e del gas, gli impieghi potenziali comprendono alberi, tenute, corpi cilindrici e superfici interne.
Per il settore navale, iAM3D cita mozzi, alberi e componenti strutturali di grandi dimensioni. Nell’industria mineraria, la deposizione può essere utilizzata per rigenerare superfici sottoposte ad abrasione.
La macchina può interessare anche università, centri di ricerca e produttori di leghe. L’alimentazione a polvere permette di studiare materiali differenti e, con configurazioni adatte, di modificare la composizione durante la deposizione.
La flessibilità sperimentale deve essere accompagnata da un controllo rigoroso della contaminazione tra materiali. Condotti, contenitori, teste e camera devono essere puliti quando il residuo di una lega può compromettere quella successiva.
Le opzioni EHLA e WAAM
Tra le opzioni dichiarate da iAM3D figurano una testa EHLA e una testa WAAM.
EHLA è un processo di deposizione laser ad alta velocità pensato soprattutto per rivestimenti sottili. La fusione del materiale avviene in larga parte prima che la polvere raggiunga la superficie, consentendo di ottenere strati con un apporto termico contenuto rispetto a forme di cladding più tradizionali.
WAAM utilizza invece un arco elettrico e un filo metallico. È una tecnologia adatta alla costruzione rapida di componenti molto grandi, anche se richiede lavorazioni successive per raggiungere superfici e tolleranze finali.
La disponibilità di queste teste amplia la gamma delle lavorazioni, ma comporta la necessità di qualificare processi differenti e di gestire sorgenti energetiche, strategie e parametri non equivalenti.
iAM3D offre inoltre teste personalizzate, estensioni della garanzia e configurazioni sviluppate sulla base dell’applicazione del cliente.
Il prezzo non è stato pubblicato
Nonostante il riferimento al prezzo nel titolo della presentazione internazionale, iAM3D non ha pubblicato un listino per la LPW Z2500.
Le aziende interessate devono contattare direttamente il produttore e descrivere l’applicazione, i materiali, le dimensioni dei componenti e le funzioni richieste.
Il valore della fornitura può cambiare in funzione delle teste di deposizione, del posizionatore, del sistema per i diametri interni, della navetta, delle opzioni EHLA o WAAM, del monitoraggio, del software, dell’installazione e dei servizi di sviluppo processo.
Al costo della macchina devono essere aggiunti la preparazione del sito, l’impianto elettrico, la fornitura di argon, i sistemi di sicurezza, la movimentazione, la formazione e le apparecchiature per la finitura e il controllo dei pezzi.
Per una piattaforma di queste dimensioni, la valutazione economica non può quindi limitarsi al prezzo di acquisto. Deve considerare il costo dell’intera cella produttiva, la disponibilità di personale qualificato e il numero di componenti sui quali ripartire l’investimento.
Una piattaforma che deve dimostrare ripetibilità e qualità metallurgica
LPW Z2500 riunisce caratteristiche che vengono spesso distribuite tra impianti differenti: alimentazione a filo, deposizione a polvere, costruzione multiasse, rivestimento interno, lavorazione di pezzi lunghi e camera in atmosfera controllata.
Questa concentrazione può ridurre lo spazio necessario e limitare i trasferimenti tra più macchine. Può inoltre permettere a un utilizzatore di scegliere il processo più adatto a ciascuna parte del componente.
Il valore industriale della piattaforma dipenderà però dalla capacità di mantenere risultati ripetibili su cicli di molte ore e su pezzi di grandi dimensioni.
Le informazioni pubblicate da iAM3D descrivono l’architettura e le prestazioni nominali, ma non comprendono ancora una serie completa di dati indipendenti sulla densità, sulle proprietà meccaniche, sulle tensioni residue e sulla stabilità dimensionale dei componenti prodotti.
Per applicazioni aerospaziali, energetiche e nella difesa saranno necessari programmi di qualificazione specifici. Anche la riparazione richiederà procedure capaci di dimostrare la qualità del legame tra materiale originale e deposito.
LPW Z2500 si presenta quindi come una piattaforma destinata ad aziende e centri di ricerca che devono costruire, rivestire o rigenerare componenti metallici fuori scala rispetto alle comuni stampanti industriali. La combinazione tra filo e polvere rappresenta il punto tecnico più significativo, mentre le future installazioni permetteranno di valutare la produttività e la qualità ottenibili nelle condizioni operative reali.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
