Manifattura avanzata e getti per la difesa: come MetalTek e NCDMM rafforzano la base industriale degli Stati Uniti

Fusioni e forgiature al centro della catena di fornitura militare

Nel panorama industriale della difesa statunitense, i settori della fusione e della forgiatura rimangono essenziali per produrre componenti strutturali e critici per missili, velivoli e sistemi terrestri. Sono comparti che operano da decenni, spesso con infrastrutture datate, processi molto manuali e capacità produttive difficili da scalare, soprattutto quando si parla di lotti medio-bassi, tipici dei programmi militari più specializzati. 

La convergenza tra automazione, digitalizzazione e tecnologie additive offre oggi la possibilità di rivedere in profondità il modo in cui vengono progettati, fusi, controllati e consegnati questi componenti. In questo quadro si inserisce l’iniziativa congiunta tra il National Center for Defense Manufacturing and Machining (NCDMM) e MetalTek International, che ha l’obiettivo esplicito di modernizzare il processo di investment casting per le alette di missile e altri componenti critici. 

NCDMM e MetalTek: i protagonisti del progetto

Il National Center for Defense Manufacturing and Machining (NCDMM) è un’organizzazione statunitense focalizzata su progetti di R&D applicata per migliorare i sistemi d’arma e di supporto del Dipartimento della Difesa. Il suo ruolo è quello di integrare nuove tecnologie di produzione, materiali avanzati e processi innovativi, creando dimostratori industriali che possano essere replicati su scala più ampia presso fornitori e stabilimenti strategici. 

MetalTek International, con sede principale nel Wisconsin, è un gruppo specializzato in getti centrifughi, a sabbia e a cera persa per mercati ad alta criticità: difesa, aerospazio, energia, trasporto, fluid handling. La Wisconsin Investcast Division in particolare è un impianto fortemente automatizzato di investment casting che serve applicazioni dove sono richiesti materiali complessi, geometrie sofisticate e controlli di qualità stringenti. 

L’Advanced Manufacturing Cell per le alette di missile

Per rispondere alla necessità del Dipartimento della Difesa – indicato nell’articolo come Department of War (DoW) – di rendere più robusta e agile la catena di fornitura, NCDMM e MetalTek hanno avviato l’iniziativa “Advanced Manufacturing Cell (AMC) to Transform Missile Fin and Component Production”. 

L’obiettivo non è intervenire solo su una singola fase del processo, ma riconsiderare l’intera filiera dell’investment casting per i componenti di missile:

• preparazione dei modelli in cera e dei gusci ceramici,

• processi di fusione sotto vuoto o in aria,

• trattamenti termici e controlli non distruttivi,

• ispezione finale e rilascio dei lotti di produzione.

L’AMC viene sviluppata presso la Wisconsin Investcast Division di MetalTek e rappresenta un caso concreto di come un impianto con radici tradizionali nella fusione possa essere aggiornato con logiche di manifattura avanzata, integrando automazione, raccolta dati, simulazioni di processo e componenti prodotti con tecnologie additive. 

Automazione a 360°: dal modello in cera al controllo finale

Uno dei pilastri del progetto AMC è la trasformazione delle operazioni manuali in sequenze controllate da sistemi automatici o semi-automatici. Nel caso della fusione a cera persa, questo significa:

• linee automatizzate per la preparazione e l’immersione dei gusci ceramici,

• gestione controllata dei parametri chiave (viscosità, temperatura, pH dei bagni) tramite sensori e sistemi di monitoraggio,

• automazione delle fasi di fusione, colata, rimozione dei canali di colata e sbavatura,

• integrazione di sistemi di inspection automatica, inclusi controlli non distruttivi (NDT). (3DPrint)

Secondo i dati riportati nel progetto, questa trasformazione riduce il tempo in cui gli operatori devono eseguire misure ripetitive o attività manuali pesanti: il loro ruolo viene progressivamente spostato verso il controllo dei dati, la supervisione dei sistemi robotizzati e l’analisi delle anomalie, con mansioni più qualificate e meno usuranti. 

Digitalizzazione del processo: dati di produzione, simulazione e manutenzione predittiva

L’AMC di MetalTek non è solo una linea più automatizzata, ma anche una linea molto più strumentata dal punto di vista digitale. Tra gli elementi chiave:

• raccolta sistematica dei dati di processo lungo tutte le fasi (tempi di ciclo, parametri termici, parametri dei bagni, stati macchina),

• utilizzo di strumenti di simulazione del processo di colata, utili a prevedere la solidificazione, la formazione di porosità, le tensioni interne e quindi a ridurre il numero di iterazioni fisiche,

• adozione di sistemi per manutenzione predittiva, che sfruttano i dati raccolti per programmare interventi sugli impianti prima che si verifichino fermi non pianificati. (3DPrint)

Per supportare il personale, il progetto prevede anche la creazione di librerie digitali di training e contenuti formativi associati ai sensori e ai sistemi di automazione installati: una sorta di manuale operativo evoluto, che aiuta a standardizzare le competenze e a ridurre i tempi di inserimento dei nuovi addetti. 

Il ruolo della produzione additiva nel ciclo dei getti di difesa

Nel progetto AMC la manifattura additiva non sostituisce la fusione tradizionale, ma viene integrata in modo mirato in vari punti della catena:

• produzione di pattern e inserti per i modelli di cera o per la creazione dei gusci,

• realizzazione di attrezzature di ispezione e di staffaggi su misura,

• utilizzo di stampa 3D metallica diretta per alcuni componenti di processo che traggono beneficio da geometrie complesse o canali interni ottimizzati. 

Questa combinazione consente di:

• ridurre il numero di fasi di lavorazione meccanica,

• velocizzare le modifiche quando cambiano i requisiti dei componenti di missile,

• provare varianti di design in tempi più brevi, mantenendo però come output finale un getto metallico fuso, pienamente compatibile con i requisiti meccanici e normativi dei programmi di difesa.

Il progetto si inserisce in un filone più ampio di iniziative promosse da America Makes e NCDMM per dimostrare come le tecnologie additive possano ridurre tempi e costi nelle operazioni di fusione e forgiatura, senza stravolgere completamente le logiche di qualifica dei componenti. 

Risultati quantitativi: tempi ridotti e maggiore coinvolgimento del personale

I risultati riportati per l’Advanced Manufacturing Cell di MetalTek mostrano miglioramenti misurabili:

• il lead time di produzione è passato da 26 giorni a 7,8 giorni, con una riduzione di circa il 70%,

• la touch time (il tempo in cui gli operatori sono direttamente impegnati sul pezzo) è scesa da 5,8 ore a 2,7 ore, con un taglio superiore al 50%,

• in parallelo, gli indicatori di coinvolgimento del personale risultano in crescita: +15% nell’engagement e +21% nella fiducia rispetto alle prospettive future del sito produttivo. (3DPrint)

Questi dati indicano che l’automazione non si traduce solo in efficienza, ma contribuisce anche a rafforzare la qualità del lavoro: le mansioni più ripetitive vengono spostate verso sistemi automatici, mentre le persone si dedicano sempre più a compiti di controllo, diagnosi, programmazione e miglioramento continuo.

Effetti sulla Defense Industrial Base: capacità di picco e introduzione più rapida di nuove parti

L’iniziativa AMC non è pensata come un caso isolato, ma come modello replicabile per altri fornitori strategici nel settore delle fusioni e forgiature. Gli impatti sulla Defense Industrial Base (DIB) toccano vari livelli: 

• Maggiore capacità di picco (surge capacity): la riduzione dei tempi ciclo rende più semplice aumentare i volumi in caso di crisi o di incremento dei fabbisogni militari.

• Introduzione più rapida di nuove parti: la combinazione di simulazione, additive per pattern e tooling, e processi automatizzati accorcia il passaggio da prototipo a Low Rate Initial Production (LRIP) e poi a produzione a regime, riducendo il rischio della cosiddetta “valle della morte” tra dimostrazione tecnologica e utilizzo operativo.

• Affidabilità e ripetibilità dei componenti: il controllo dei parametri di processo e l’adozione di controlli NDT avanzati permettono di diminuire la variabilità, elemento fondamentale per componenti che lavorano in condizioni estreme.

• Resilienza della forza lavoro: formazione digitale, procedure standardizzate e sistemi di supporto rendono più semplice trasferire competenze e trattenere personale qualificato in un settore storicamente percepito come molto fisico e faticoso.

Nel complesso, la combinazione tra manifattura avanzata, automazione e additive consente al DoW/DoD di avere una rete di fornitori più pronta a rispondere alle esigenze di lungo periodo, con meno colli di bottiglia e maggiore trasparenza sui processi.

Perché investire nella fusione di precisione: il ruolo di MetalTek

La scelta di MetalTek come partner non è casuale. L’azienda ha una lunga esperienza nel realizzare componenti critici per difesa e aerospazio, spaziando da elementi per propulsione navale a parti strutturali, valvole, componenti per sistemi d’arma e per il controllo dei fluidi. 

L’investment casting offre alcuni vantaggi chiave:

• geometrie complesse con superfici relativamente fini,

• ampia scelta di leghe, incluse superleghe resistenti alla corrosione, al calore e all’usura,

• possibilità di ottenere componenti quasi net-shape, riducendo la lavorazione meccanica successiva,

• adattabilità a lotti non necessariamente enormi, se accompagnata da automazione e digitalizzazione.

L’Advanced Manufacturing Cell di Wisconsin Investcast intercetta precisamente questi punti di forza, aggiungendo un livello di standardizzazione, tracciabilità e capacità di scaling che rende il processo più compatibile con i requisiti di una base industriale difensiva moderna.

Uno sguardo avanti: integrazione con i programmi sulla manifattura additiva per la difesa

Molti dei concetti sperimentati nell’AMC di MetalTek sono in linea con le direzioni intraprese da iniziative come IMPACT e IMPACT 3.0, promosse da America Makes e NCDMM per favorire l’uso della manifattura additiva in supporto a fusione e forgiatura, con focus su riduzione dei lead time e miglioramento della produttività.  

Allo stesso tempo, il Dipartimento della Difesa ha istituito strutture dedicate, come la Joint Production Accelerator Cell (JPAC), per identificare le linee produttive critiche e sostenerne l’espansione e la modernizzazione, integrando i risultati di progetti dimostrativi come quello di MetalTek e NCDMM all’interno di una strategia più ampia di rafforzamento della supply chain militare. 

In prospettiva, è probabile che:

• altri fornitori di getti e forgiati per missili, motori e sistemi terrestri adottino modelli simili di celle di manifattura avanzata,

• la produzione additiva venga sempre più utilizzata per tooling, pattern e componenti di processo,

• i programmi di qualifica dei componenti tengano conto fin dall’inizio di questa integrazione fra tecnologie “tradizionali” e additive.