Mazak e ORNL integrano WAAM Fronius e lavorazione a 5 assi in una cella convergente

Mazak e Oak Ridge National Laboratory hanno sviluppato una nuova piattaforma di produzione metallica che mette nello stesso flusso industriale la deposizione WAAM di Fronius, la lavorazione CNC a cinque assi e un sistema automatico di movimentazione pallet. La soluzione verrà mostrata a IMTS 2026, dal 14 al 19 settembre a Chicago, all’interno dell’Emerging Technology Center di AMT, e punta a risolvere uno dei principali problemi della manifattura additiva metallica di grande formato: il WAAM è molto rapido nel costruire una geometria near-net-shape, ma non offre da solo la precisione e la qualità superficiale richieste da molte parti finite. Mazak e ORNL hanno quindi separato le operazioni secondo ciò che ciascuna tecnologia sa fare meglio: Fronius deposita rapidamente il metallo da filo, mentre i centri Mazak VC-Ez 20X portano successivamente il componente a quota attraverso fresatura a cinque assi.

Il progetto viene definito dai partner una piattaforma di convergent manufacturing. È importante precisare che non si tratta semplicemente di una macchina CNC nella quale è stata installata una torcia WAAM accanto al mandrino. La configurazione utilizza stazioni produttive distinte, collegate da pallet comuni e da un sistema Mazak automatizzato di trasferimento. Il pezzo può quindi passare dalla deposizione alla lavorazione senza essere rimosso dal proprio riferimento principale e può, quando l’applicazione lo richiede, effettuare più cicli alternati di additive e subtractive manufacturing.

Una cella pensata per passare dall’high-mix low-volume a produzioni più ripetitive

Mazak descrive la piattaforma come sviluppata per gestire contemporaneamente due scenari normalmente difficili da conciliare. Il primo è la produzione high-mix, low-volume, quindi molti codici differenti prodotti in quantità relativamente ridotte. È uno dei territori naturali dell’additive manufacturing perché l’assenza di tooling dedicato permette di cambiare geometria soprattutto intervenendo sui dati digitali.

Il secondo scenario è invece quello low-mix, high-volume, nel quale il numero di varianti diminuisce ma aumenta la quantità di pezzi. In questo caso automazione, palletizzazione e separazione delle operazioni permettono teoricamente di aggiungere capacità produttiva senza trasformare ogni stazione in una macchina speciale.

La logica del sistema è quindi modulare. La stazione WAAM non deve rimanere bloccata mentre il componente viene finito al CNC e il centro di lavoro non deve attendere che un deposito metallico di molte ore venga completato nello stesso volume macchina.

WAAM costruisce velocemente ciò che il CNC rifinisce

Il Wire Arc Additive Manufacturing utilizza un filo metallico come materia prima e un arco elettrico come sorgente di energia. Il filo viene fuso e depositato sotto forma di cordoni sovrapposti. Muovendo la torcia secondo una traiettoria definita dal software, la macchina costruisce progressivamente una forma tridimensionale.

È un principio molto diverso dal Laser Powder Bed Fusion, nel quale un laser fonde selettivamente sottilissimi strati di polvere. Il Powder Bed Fusion offre generalmente una risoluzione molto più elevata, ma la velocità di deposizione e le dimensioni raggiungibili possono diventare limitanti quando si devono costruire parti metalliche di decine o centinaia di chilogrammi.

Il WAAM lavora invece con cordoni molto più grandi e può depositare chilogrammi di materiale ogni ora. Nella cella che verrà dimostrata a IMTS, l’organizzazione della fiera indica tassi di deposizione nell’ordine di circa 2-10 kg/h.

Il vantaggio del WAAM diventa evidente quando la parte finale sarebbe normalmente ricavata da un enorme blocco o forgiato, rimuovendo una quantità molto elevata di materiale. L’additive può depositare soltanto un sovrametallo relativamente vicino alla geometria finale e lasciare alla fresatura il compito di realizzare le superfici funzionali.

Near-net-shape è la parola chiave del progetto

La piattaforma non cerca infatti di ottenere direttamente dalla torcia una superficie equivalente a quella di un centro di lavoro.

Con near-net-shape si indica una geometria che si trova già vicino alla forma finale ma conserva materiale aggiuntivo nelle zone che verranno successivamente lavorate.

Il workflow può essere sintetizzato così:

CAD finale → geometria additive con sovrametallo → deposizione WAAM → raffreddamento → lavorazione CNC a cinque assi → componente finito.

Questo approccio consente al processo additive di privilegiare velocità e stabilità. Non è necessario inseguire con il cordone di saldatura una tolleranza di pochi centesimi di millimetro quando quella superficie verrà comunque fresata.

La progettazione deve però conoscere in anticipo quali zone saranno lavorate. Se il sovrametallo è insufficiente, la fresa potrebbe non riuscire a eliminare completamente l’irregolarità della superficie depositata. Se è eccessivo, una parte del vantaggio additive viene persa perché aumenta il volume di metallo da rimuovere.

Il cinque assi diventa importante proprio per le forme additive

Le geometrie costruite con additive manufacturing possono risultare più complesse di quelle ottenute da semilavorati tradizionali. Superfici inclinate, raccordi e feature posizionate attorno a corpi tridimensionali possono richiedere accessi utensile difficili.

Il centro Mazak VC-Ez 20X utilizza una tavola roto-basculante con tecnologia roller-gear cam e può operare sia in 3+2 assi sia in interpolazione simultanea a cinque assi.

In 3+2 la tavola orienta il pezzo e successivamente gli assi lineari eseguono la lavorazione mantenendo fissi gli assi rotativi. Nel cinque assi simultaneo, invece, assi lineari e rotativi possono muoversi contemporaneamente.

Queste caratteristiche rendono il centro particolarmente adatto alla finitura di componenti tridimensionali ottenuti attraverso deposizione.

Il pallet comune è una parte fondamentale della precisione

Uno degli elementi apparentemente meno spettacolari della nuova piattaforma è probabilmente anche uno dei più importanti: il pezzo rimane associato a un pallet comune mentre passa da una stazione all’altra.

In un normale processo separato, una parte WAAM potrebbe essere rimossa dalla macchina additive, trasportata al reparto lavorazioni, fissata nuovamente e riallineata sul CNC. Ogni passaggio richiede tempo e introduce una nuova possibilità di errore.

Il sistema Mazak cerca di mantenere una base di riferimento comune. Il pallet automatico porta il workpiece dalla stazione additive al centro di lavoro e può spostarlo successivamente verso una buffer station o nuovamente verso un altro processo.

Questo non elimina la necessità di localizzare con precisione il pezzo — probing e riferimenti rimangono importanti — ma riduce la quantità di rifissaggi manuali.

Additive e subtractive non devono obbligatoriamente avvenire una sola volta

La presenza del pallet shuttle permette una possibilità ancora più interessante:

deposizione → fresatura → nuova deposizione → nuova fresatura.

Questo può diventare necessario quando determinate superfici diventerebbero inaccessibili alla fine della costruzione.

Supponiamo che un componente contenga una cavità interna con una superficie che deve essere lavorata. Se l’intero volume viene prima costruito con WAAM, l’utensile potrebbe non riuscire più a raggiungere quella zona. Con una sequenza ibrida, la parete viene depositata parzialmente, lavorata mentre rimane accessibile e successivamente chiusa attraverso nuovi layer.

La piattaforma distribuita cerca quindi di ottenere alcuni dei vantaggi delle macchine ibride pur mantenendo stazioni indipendenti.

Non è la prima collaborazione tra Mazak e ORNL sull’ibrido

Il rapporto tra Mazak e Oak Ridge National Laboratory nel metal additive manufacturing è molto più vecchio del progetto VC-Ez.

ORNL aveva già utilizzato la Mazak VC-500A/5X AM HWD, una macchina ibrida che combinava lavorazione a cinque assi e deposizione laser hot-wire all’interno dello stesso sistema.

In una ricerca pubblicata nel 2020, il Manufacturing Demonstration Facility utilizzò quella piattaforma per produrre una geometria in acciaio inox 410 su substrato AISI 1018. La parte superava 24,5 pollici di lunghezza e raggiungeva oltre 107 lb, cioè quasi 49 kg.

La costruzione richiese poco più di 36 ore di tempo additive e venne divisa in tre segmenti di deposizione. Durante il lavoro i ricercatori poterono anche utilizzare le capacità subtractive della stessa macchina per effettuare riparazioni e correggere problemi di sovracostruzione.

Quel lavoro aveva già dimostrato il valore dell’alternanza tra deposizione e machining, ma aveva anche evidenziato la necessità di migliorare pianificazione CAM, controllo della temperatura e automazione.

La nuova piattaforma cambia filosofia rispetto alla VC-500A/5X AM HWD

Il confronto tra le due generazioni è interessante.

Nella macchina ibrida monolitica, quando il laser deposita materiale il mandrino CNC non sta producendo truciolo. Quando il mandrino fresa, il sistema additive non sta depositando.

Con stazioni indipendenti è invece possibile, almeno a livello di architettura produttiva, avere un pezzo in deposizione mentre un altro viene lavorato.

Questo aumenta la possibilità di scalare il throughput della cella.

È questa la differenza tra hybrid manufacturing e convergent manufacturing

Il termine hybrid manufacturing viene spesso utilizzato per indicare una singola macchina che combina processi additive e subtractive.

ORNL utilizza sempre più frequentemente il termine convergent manufacturing per descrivere un concetto più ampio: diverse tecnologie produttive vengono collegate attraverso automazione, movimentazione e digital thread, formando un unico sistema anche se fisicamente rimangono macchine distinte.

La nuova piattaforma Mazak–Fronius appartiene maggiormente a questa seconda categoria.

Il vantaggio potenziale è la modularità. Se serve più capacità di fresatura, si può aggiungere una macchina; se il collo di bottiglia diventa la deposizione, si può aumentare la capacità additive. Il sistema non deve necessariamente essere acquistato come un unico monolite impossibile da riconfigurare.

ORNL sta seguendo la stessa filosofia con Future Foundries

Il progetto si inserisce nella strategia più ampia del Manufacturing Demonstration Facility di ORNL, che ha sviluppato la piattaforma Future Foundries per integrare additive manufacturing, machining, heat treatment, inspection e movimentazione automatizzata.

Future Foundries utilizza a sua volta un’architettura palletizzata e combina, tra le altre tecnologie, WAAM, lavorazione CNC, sistemi di misura e trattamento.

ORNL presenta questo approccio come risposta alla riduzione della capacità domestica statunitense di casting e forging. Secondo il laboratorio, gli Stati Uniti hanno perso circa il 40% della capacità nazionale di fonderia nelle ultime decadi.

La produzione convergente viene quindi studiata non soltanto per realizzare parti più complesse, ma per sostituire o integrare filiere di approvvigionamento che richiedono mesi o anni.

WAAM può utilizzare normali fili da saldatura già industrializzati

Uno dei vantaggi della tecnologia Fronius è la materia prima. Il sistema utilizza filo da saldatura, una forma di feedstock già prodotta in grandi quantità per il settore joining.

Rispetto alle polveri metalliche dedicate all’AM, i fili possono offrire:

• costi inferiori;
• minori problemi di gestione delle polveri fini;
• elevata efficienza di utilizzo;
• ampia disponibilità industriale;
• numerose leghe già presenti nel mondo della saldatura.

Fronius dichiara compatibilità della propria piattaforma WAAM con famiglie comprendenti acciai basso-legati, acciai inossidabili, alluminio e leghe a base nichel.

Questo non significa che qualunque filo certificato per saldatura sia automaticamente qualificato per una parte additiva. Il componente WAAM deve comunque essere caratterizzato in termini di microstruttura, difetti, anisotropia, proprietà meccaniche e comportamento termico.

Fronius utilizza il processo CMT per controllare l’apporto termico

Una delle tecnologie chiave del sistema Fronius è CMT, Cold Metal Transfer, processo sviluppato inizialmente per saldatura e successivamente adattato alla manifattura additiva.

Nel CMT il movimento del filo viene controllato dinamicamente. Durante il trasferimento della goccia, il filo può essere retratto, contribuendo a mantenere l’arco stabile e a limitare l’energia immessa nel pezzo.

Nel WAAM la gestione termica è particolarmente importante. Ogni nuovo cordone viene depositato sopra materiale che può essere ancora caldo dalla passata precedente. Se la temperatura continua a salire, geometria del bead, penetrazione e microstruttura possono cambiare durante la costruzione.

Fronius ha quindi sviluppato CMT Additive Pro specificamente per l’AM.

Il Power Correction, per esempio, permette di modificare l’energia dell’arco mantenendo relativamente costante la velocità del filo, aiutando a compensare l’aumento della temperatura del componente.

Il vero nemico del WAAM è l’accumulo di calore

L’elevata produttività del processo ha un prezzo: ogni chilogrammo depositato richiede una quantità significativa di energia e il componente può accumulare calore molto rapidamente.

Questo può generare:

• cordoni più larghi man mano che il pezzo si scalda;
• altezza layer variabile;
• distorsioni;
• tensioni residue;
• cambiamenti microstrutturali;
• problemi di fusione locale.

Una buffer station integrata nel sistema palletizzato diventa quindi utile non soltanto come magazzino temporaneo, ma anche perché permette al componente di raffreddarsi fuori dalla macchina produttiva.

La stazione additive può nel frattempo lavorare su un altro pallet.

Separare la fase di raffreddamento aumenta l’utilizzo delle macchine

In una macchina ibrida tradizionale, se il componente deve raffreddarsi per venti minuti prima della lavorazione, l’intero centro rimane occupato da quel workpiece.

In una cella palletizzata, il pezzo può invece essere spostato nel buffer. Il centro WAAM riceve un nuovo pallet mentre il componente precedente raggiunge una condizione termica adatta alla fresatura.

È un esempio di come l’automazione possa aumentare il throughput senza aumentare necessariamente la velocità intrinseca del processo.

Due centri VC-Ez 20X offrono capacità indipendente di finitura

Mazak specifica che la piattaforma è configurata con due VC-Ez 20X. Il secondo centro permette di ampliare la capacità subtractive e di gestire contemporaneamente operazioni differenti.

La macchina standard utilizza un mandrino CAT-40 da 25 hp e 12.000 rpm, con un magazzino da 30 utensili. Sono disponibili configurazioni opzionali fino a 15.000 o 20.000 rpm e magazzini più ampi.

Per il progetto WAAM il dato importante non è soltanto la velocità massima del mandrino, ma il fatto che si tratti di un centro di lavoro commerciale della famiglia Ez, cioè una piattaforma pensata da Mazak come soluzione industriale relativamente accessibile e prodotta nello stabilimento del Kentucky.

Il footprint ridotto serve per trasformare le macchine in moduli di una cella

Mazak indica per la VC-Ez 20X un ingombro di circa 2.647 × 3.716 mm, che il produttore considera inferiore del 26,5% rispetto ad altre proprie configurazioni comparabili.

Una macchina compatta è più semplice da affiancare a:

• WAAM;
• pallet changer;
• buffer;
• robot;
• sistemi di ispezione;
• ulteriori centri di lavoro.

Il risparmio di spazio diventa quindi una caratteristica di automazione, non soltanto un vantaggio per l’officina con pochi metri quadrati disponibili.

Il controllo MAZATROL SmoothEz5 rimane quello di una normale macchina utensile

Un altro elemento della strategia è mantenere il lato machining il più possibile vicino all’esperienza già conosciuta dagli operatori CNC.

VC-Ez 20X utilizza MAZATROL SmoothEz5 e supporta sia programmazione EIA/G-code sia il sistema conversazionale MAZATROL.

Questo può ridurre uno degli ostacoli all’adozione dell’AM nelle officine tradizionali. Non è necessario che l’intera cella venga interpretata come un nuovo sistema produttivo completamente estraneo: una parte significativa del lavoro finale avviene su una macchina utensile convenzionale.

Open Mind entra nel progetto attraverso il CAD/CAM

La dimostrazione IMTS comprende anche OPEN MIND, fornitore del software hyperMILL.

Il software CAM assume un ruolo particolarmente importante quando additive e machining devono condividere lo stesso workflow digitale. Il sistema deve conoscere:

• geometria nominale;
• stock depositato;
• orientamento del pezzo;
• sovrametallo;
• zone già lavorate;
• collisioni;
• accessibilità utensile.

ORNL collabora da tempo con produttori CAM proprio perché la pianificazione dei processi multi-assi additive-subtractive rimane uno dei problemi più complessi della manifattura ibrida.

Un normale slicer a tre assi non è sufficiente quando deposito e utensile devono muoversi attorno a superfici inclinate.

Il cinque assi additive introduce problemi CAM differenti dal cinque assi sottrattivo

Nel machining, l’utensile deve evitare collisioni mentre rimuove progressivamente lo stock.

Nel WAAM multi-assi, invece, la torcia deve anche:

• mantenere distanza corretta dal bagno fuso;
• orientarsi rispetto alla superficie;
• garantire protezione gassosa;
• evitare collisioni con materiale appena depositato;
• controllare direzione e sovrapposizione dei cordoni;
• gestire gravità e comportamento del bagno liquido.

ORNL ha pubblicato studi specifici sui toolpath per sistemi additive a cinque assi, sottolineando che gran parte dei normali software di slicing è storicamente costruita attorno a layer planari a tre assi.

La nuova cella diventa quindi anche una piattaforma per sviluppare workflow CAM più maturi.

L’integrazione con MTConnect porta i dati fuori dalla singola macchina

La cella che verrà mostrata a IMTS utilizzerà anche MTConnect, standard sviluppato per rendere interoperabili i dati provenienti dalle macchine industriali.

Il principio è importante per una cella convergente. Se additive, milling, robot e sistemi di movimentazione funzionano come isole separate, coordinare il processo diventa complesso.

Una struttura dati comune permette invece di conoscere:

• stato macchina;
• avanzamento del ciclo;
• allarmi;
• disponibilità;
• tempi di processo;
• informazioni necessarie alla gestione della cella.

L’obiettivo dichiarato da IMTS è mostrare anche modalità di produzione sempre più automatizzate e potenzialmente lights-out.

La dimostrazione di Chicago utilizzerà anche droni come caso applicativo

All’interno dell’Emerging Technology Center, ORNL e i partner mostreranno una linea automatizzata che produrrà telai e componenti per droni durante la fiera.

Sono previste configurazioni per quadricotteri con rotori da 3,5, 5 e 10 pollici, con l’obiettivo di mostrare la capacità di passare rapidamente tra geometrie differenti e successivamente aumentare i volumi.

La dimostrazione non è composta soltanto dalla cella metallica Mazak–Fronius. L’infrastruttura IMTS include anche robot FANUC, sistemi polymer AM di Prusa Research, elettronica di ModalAI e Ark Electronics, tooling Kennametal, workholding Schunk, sensori SICK e automazione Edgewater Automation.

È quindi meglio considerare la cella WAAM come un sottosistema di una dimostrazione più ampia di produzione automatizzata, non affermare che ogni drone esposto sarà costruito interamente con metallo WAAM.

Le applicazioni industriali dichiarate vanno ben oltre i droni

Mazak e ORNL indicano come possibili applicazioni:

structural repair;

rapid tooling;

near-net-shape components.

IMTS estende il contesto a settori come aerospazio, difesa, estrazione mineraria, shipbuilding e power generation.

Sono tutti mercati accomunati da un problema simile: parti relativamente grandi, spesso prodotte in quantità limitate, il cui approvvigionamento attraverso casting e forging può richiedere tempi molto lunghi.

Il repair è forse il caso più naturale per una piattaforma additive-subtractive

Nel repair non è necessario costruire l’intero componente.

Una parte usurata può essere:

ispezionata → lavorata per eliminare la zona danneggiata → ricostruita con DED/WAAM → fresata nuovamente alle dimensioni finali.

Questo permette teoricamente di conservare una grande percentuale del componente originale.

ORNL ha già studiato strategie ibride di questo tipo con Tennessee Valley Authority, Mazak e OPEN MIND per componenti destinati alle centrali elettriche.

La combinazione tra deposizione e machining è particolarmente vantaggiosa perché la stessa struttura produttiva può rimuovere la zona difettosa e riportare quella ricostruita alla tolleranza finale.

Rapid tooling è un’altra applicazione dove il WAAM può offrire grandi vantaggi

Stampi, dime e utensili di grande formato vengono spesso ricavati da blocchi metallici molto pesanti.

In questi casi il rapporto buy-to-fly, cioè la quantità di materia acquistata rispetto a quella che rimane nella parte finale, può essere sfavorevole anche se il componente non vola realmente.

Depositare una forma near-net-shape permette di iniziare con molto meno materiale.

Una matrice, per esempio, potrebbe essere costruita rapidamente in acciaio attraverso WAAM, lasciando qualche millimetro di sovrametallo sulle superfici funzionali. Il cinque assi produrrebbe poi la geometria precisa.

Material utilization e machining time sono collegati

Il vantaggio non è semplicemente risparmiare metallo.

Ogni chilogrammo di materiale non depositato in eccesso è un chilogrammo che la fresa non deve successivamente trasformare in truciolo.

Ridurre il machining volume significa:

• meno ore macchina;
• minore usura utensile;
• meno trucioli;
• meno energia di lavorazione;
• minore quantità di coolant utilizzato.

La vera ottimizzazione del workflow consiste quindi nel trovare il minimo sovrametallo compatibile con le variazioni geometriche del WAAM.

La precisione del modello as-built diventa fondamentale per diminuire il sovrametallo

Se il processo additive produce pareti che oscillano di diversi millimetri rispetto alla geometria prevista, il progettista deve lasciare un grande margine per assicurarsi che il CNC trovi materiale ovunque.

Se sensori e controllo del processo riducono questa variabilità, il sovrametallo può essere diminuito.

È qui che sistemi come il Deposition Rate Stabilizer, Power Correction e CTWD measurement di Fronius diventano importanti anche per la successiva fase CNC. Un bead più costante significa una forma near-net più prevedibile e quindi meno stock da rimuovere.

Metrologia e scansione possono diventare il ponte tra WAAM e fresatura

La nuova notizia non descrive un sistema completo di scanning in-process specifico della cella Mazak, ma ORNL integra normalmente la metrologia nelle proprie piattaforme convergenti.

Il workflow ideale prevede la scansione del pezzo dopo la deposizione. Il CAM può così confrontare:

modello nominale ↔ geometria realmente depositata.

Invece di fresare assumendo che il componente coincida perfettamente con la simulazione, il percorso utensile può essere adattato allo stock reale.

Questo concetto è particolarmente importante nel WAAM a causa di deformazioni termiche e variazioni del bead.

Le deformazioni termiche rimangono una delle sfide principali

La grande quantità di calore introdotta dall’arco produce tensioni residue. Quando il componente raffredda può:

• incurvarsi;
• torcersi;
• allontanarsi dal modello nominale.

ORNL sta lavorando anche su metodi per correggere direttamente queste deformazioni. Una propria tecnologia pubblicata nel 2026 utilizza compressioni meccaniche localizzate per contrastare il warping durante o dopo la costruzione WAAM.

Questo mostra che il problema della precisione non può essere risolto soltanto aumentando la quantità di materiale lasciata per il machining: occorre intervenire anche sul processo additive.

Una parte deformata troppo non può essere semplicemente “fresata via”

Se una parete dovrebbe trovarsi in una determinata posizione e si sposta di diversi millimetri, potrebbe non rimanere materiale sufficiente sul lato opposto per ricavare la geometria finale.

Il machining può eliminare sovrametallo, ma non può aggiungerne.

Una piattaforma convergente ha però un vantaggio: se la deviazione viene rilevata, si può teoricamente tornare alla stazione additive, aggiungere materiale nella zona necessaria e lavorare nuovamente il componente.

È uno degli scenari nei quali il ciclo AM → inspection → machining → AM diventa molto più potente di una semplice sequenza lineare.

ORNL punta a sostituire alcune forniture ottenute oggi attraverso casting e forging

Il contesto strategico statunitense è rilevante. Casting e forging di grandi dimensioni richiedono impianti specializzati e lead time che possono essere molto lunghi.

ORNL sostiene che in alcune supply chain critiche l’approvvigionamento può richiedere mesi o perfino anni.

Il WAAM non può sostituire automaticamente qualunque getto o forgiato. Proprietà microstrutturali, fatica, difetti e requisiti di certificazione possono rendere il processo tradizionale ancora indispensabile.

Per determinate parti low-volume, tooling, repair e componenti non critici, però, la possibilità di partire da filo disponibile commercialmente e produrre il near-net-shape in ore può cambiare radicalmente il lead time.

La deposizione da 2 a 10 kg/h rende evidente la scala del processo

Un rate di 10 kg/h significa teoricamente depositare 80 kg di metallo durante un turno di otto ore, senza considerare pause, raffreddamento, cambi e variazioni geometriche.

Il dato aiuta a capire perché il WAAM venga considerato soprattutto per large-format metal AM.

Una macchina Powder Bed Fusion che ottiene dettagli di pochi decimi di millimetro e una cella WAAM che deposita diversi chilogrammi all’ora stanno risolvendo problemi differenti.

Il futuro del metal AM non richiede necessariamente che una sostituisca l’altra; richiede scegliere la tecnologia in base alla scala e al valore della geometria.

La combinazione WAAM + CNC affronta esattamente il limite della risoluzione

Il WAAM produce molto materiale rapidamente ma con superficie relativamente irregolare.

Il CNC produce superfici estremamente precise ma diventa inefficiente se deve rimuovere centinaia di chilogrammi da un blocco pieno.

Combinandoli:

WAAM = volume;

CNC = precisione.

È probabilmente la sintesi più semplice del progetto Mazak–ORNL.

L’automazione è ciò che trasforma due processi in una vera piattaforma

Mettere una saldatrice additive vicino a una fresatrice non crea automaticamente convergent manufacturing.

La differenza è data da:

• pallet comune;
• trasferimento automatico;
• buffer;
• controllo digitale;
• CAM coordinato;
• robot;
• metrologia;
• identificazione del pezzo.

Senza questi elementi un operatore dovrebbe continuamente sollevare, riallineare e riprogrammare il componente, vanificando parte del guadagno.

Il nuovo progetto cerca quindi di industrializzare il collegamento tra i processi, non soltanto i processi stessi.

L’architettura modulare può essere più facile da adottare nelle officine esistenti

Una delle implicazioni più interessanti è la possibilità di costruire la cella utilizzando macchine relativamente convenzionali.

Un’officina può già conoscere:

• centri di lavoro Mazak;
• saldatura Fronius;
• sistemi palletizzati;
• robot industriali;
• software CAM.

L’innovazione consiste nell’orchestrare questi elementi in un workflow additive.

Questo può risultare meno rischioso rispetto all’acquisto di una grande macchina ibrida proprietaria che richiede contemporaneamente nuove competenze additive e nuove modalità di machining.

Il prezzo della flessibilità è una maggiore complessità software

Una cella modulare introduce però più sistemi da sincronizzare.

Occorre conoscere continuamente:

• dove si trova il pezzo;
• quale processo è stato completato;
• quale orientamento utilizza;
• quale temperatura ha raggiunto;
• quale utensile deve essere impiegato;
• se la successiva stazione è disponibile.

Aumentando il numero delle macchine, il problema diventa simile alla gestione di una Flexible Manufacturing System.

Il digital thread è quindi indispensabile quanto la torcia WAAM.

Mazak e ORNL puntano esplicitamente alle “emergent operations”

La comunicazione Mazak utilizza il termine emergent operations, cioè situazioni nelle quali una necessità produttiva appare rapidamente e deve essere soddisfatta senza attendere le normali tempistiche della supply chain.

È un concetto particolarmente rilevante per:

• difesa;
• energia;
• manutenzione di impianti;
• infrastrutture;
• ricambi obsoleti.

Una geometria potrebbe non essere prodotta regolarmente per anni, ma diventare improvvisamente necessaria.

Una piattaforma riconfigurabile può passare da un codice all’altro senza tooling dedicato.

Questo non rende automaticamente conveniente il WAAM per ogni parte

Il rischio, come per qualsiasi tecnologia additive, è utilizzare il processo perché tecnicamente possibile e non perché economicamente appropriato.

Una parte semplice già disponibile come forgiato standard potrebbe essere molto più economica con la filiera tradizionale.

La piattaforma diventa interessante soprattutto quando almeno alcuni di questi fattori sono presenti:

La scelta deve quindi rimanere applicazione-specifica.

Il prossimo problema sarà qualificare non soltanto il materiale ma l’intero workflow

Per componenti strutturali non basta sapere che il filo possiede determinate proprietà certificate.

Il processo additive modifica:

• microstruttura;
• orientamento dei grani;
• tensioni residue;
• porosità;
• proprietà lungo le varie direzioni.

Successivamente il machining rimuove la superficie ma non modifica necessariamente la struttura interna.

La qualifica deve quindi comprendere l’intera catena wire → deposition → thermal history → machining → inspection.

Fronius sta già lavorando su questa direzione e ha partecipato alla qualificazione di un pressure vessel additivamente prodotto utilizzando come riferimento il progetto di norma europea prEN 13445-14.

Nel caso documentato, il processo CMT è stato scelto proprio per ottenere elevata deposizione con heat input ridotto e buona riproducibilità.

Un esempio Fronius mostra come WAAM e certificazione stiano iniziando ad avvicinarsi

Nel progetto realizzato con Linde Engineering, MIGAL.CO e TÜV SÜD, un ramo di recipiente a pressione in alluminio è stato prodotto additivamente utilizzando CMT.

Il componente impiegava:

• tubo base EN AW-5083;
• materiale depositato Al 5183;
• parete da 14 mm nella zona di transizione;
• ramo da 5 mm.

Il valore dell’esempio non consiste nell’essere direttamente collegato alla cella Mazak, ma nel mostrare che WAAM sta passando dalla produzione di dimostratori alla definizione di procedure di qualifica industriale.

Il progetto Mazak–ORNL è quindi più importante come architettura produttiva che come singola macchina

Il WAAM Fronius esiste già. I centri a cinque assi Mazak esistono già. I sistemi palletizzati esistono da decenni.

La novità è combinarli in modo da trattare l’additive manufacturing come una normale fase di una linea flessibile, non come una macchina speciale isolata dal resto della fabbrica.

La stessa parte può essere costruita, messa in buffer, lavorata, controllata e, se necessario, riportata alla deposizione mantenendo una logica comune di workholding e automazione.

È questo il significato più concreto del termine convergent manufacturing utilizzato da ORNL.

Da “stampare una parte” a “gestire una produzione”

La manifattura additiva metallica ha trascorso molti anni concentrandosi soprattutto sulla dimostrazione della capacità di costruire geometrie.

Una piattaforma come quella Mazak–ORNL affronta invece una domanda successiva: come facciamo a produrre molte parti differenti, con tempi prevedibili, senza che ogni componente diventi un progetto artigianale?

La risposta proposta include:

WAAM per la velocità;

palletizzazione per la movimentazione;

buffer per disaccoppiare i tempi;

cinque assi per la precisione;

CAM per il processo;

MTConnect per i dati;

robot per l’automazione.

Il valore non risiede quindi in nessun elemento preso isolatamente.

IMTS 2026 servirà come dimostrazione di un modello di fabbrica modulare

La cella verrà mostrata pubblicamente pochi giorni dopo l’annuncio, all’International Manufacturing Technology Show di Chicago, dove ORNL, Mazak, AMT e gli altri partner intendono dimostrare workflow reali di produzione durante la fiera.

Il contesto è importante: non viene presentato soltanto un nuovo centro di lavoro o una nuova torcia, ma un sistema che cerca di collegare digital engineering, additive manufacturing, automazione, machining e dati di produzione.

Per Mazak, la collaborazione prosegue un rapporto con Oak Ridge costruito negli anni attraverso ricerca sulla lavorazione e sulle macchine ibride. Per Fronius rappresenta un’ulteriore applicazione del CMT Additive all’interno di un ambiente industriale automatizzato.

Per ORNL, invece, la piattaforma è un altro passo verso un concetto che il laboratorio sta perseguendo attraverso Future Foundries: costruire sistemi nei quali casting, forging e supply chain tradizionali possano essere integrati, e in alcuni casi sostituiti, da celle produttive digitali capaci di passare rapidamente da un componente all’altro.

La vera sfida sarà dimostrare che questa flessibilità rimane economicamente sostenibile al di fuori della dimostrazione fieristica. Deposition rate elevato e cinque assi non sono sufficienti da soli: serviranno process planning affidabile, controllo termico, metrologia, qualificazione dei materiali e una gestione automatica capace di mantenere i riferimenti tra più stazioni.

La direzione industriale, tuttavia, è chiara. Invece di chiedere al WAAM di raggiungere la precisione di una fresatrice o al CNC di rimuovere enormi quantità di materiale da un blocco pieno, Mazak, ORNL e Fronius distribuiscono il lavoro tra le tecnologie e automatizzano il passaggio del componente dall’una all’altra. È probabilmente una delle strade più realistiche per portare il metal additive di grande formato fuori dalle dimostrazioni e dentro una produzione realmente scalabile.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).