La produzione additiva metallica permette di realizzare componenti dalle geometrie complesse, alleggeriti e difficili da ottenere con lavorazioni tradizionali. Il pezzo che esce da una macchina di stampa 3D, tuttavia, non è necessariamente pronto per essere utilizzato. Una delle criticità riguarda la qualità della superficie, che può presentare una rugosità incompatibile con applicazioni aerospaziali, medicali o meccaniche ad alte prestazioni.
Su questo problema ha lavorato CLASCO – Climate Neutral and Digitalised Laser Based Surface Functionalisation of Parts with Complex Geometry, progetto europeo Horizon Europe coordinato dalla Technische Universität Dresden (TU Dresden). L’obiettivo è andato oltre la semplice finitura superficiale: i ricercatori hanno sviluppato una catena di lavorazione nella quale la produzione additiva viene affiancata da lucidatura laser, microstrutturazione laser, sensori per il monitoraggio del processo, gemelli digitali e sistemi basati sull’intelligenza artificiale.
Il progetto, iniziato il 1° gennaio 2023 e concluso il 30 giugno 2026, ha avuto un budget complessivo di circa 4,83 milioni di euro. Il consorzio ha riunito 13 partner di sei Paesi europei, con competenze che spaziano dai laser all’aerospazio, dalla sensoristica alla progettazione industriale e ai dispositivi medicali.
Dalla stampa 3D alla funzionalizzazione della superficie
Uno dei limiti dei componenti metallici prodotti tramite additive manufacturing è rappresentato dalla rugosità superficiale. Nei componenti analizzati nell’ambito di CLASCO, i valori dopo la stampa erano normalmente compresi fra 10 e 30 micrometri.
Una superficie di questo tipo può essere accettabile per alcune applicazioni, ma diventa problematica quando il componente deve lavorare in condizioni nelle quali attrito, corrosione, adesione o interazione con tessuti biologici assumono un ruolo determinante.
Per questo CLASCO ha studiato un processo di lucidatura laser senza contatto. Il laser riscalda in maniera controllata uno strato estremamente superficiale del metallo, generando una piccola zona fusa. La tensione superficiale ridistribuisce il materiale dalle asperità verso le depressioni, riducendo la rugosità senza richiedere un contatto meccanico diretto con il componente.
Con questo sistema i ricercatori sono riusciti a portare la rugosità da valori iniziali dell’ordine delle decine di micrometri a meno di un micrometro.
Il risultato è importante soprattutto per le geometrie complesse tipiche della produzione additiva, dove utensili convenzionali, mole o sistemi di lucidatura possono avere difficoltà a raggiungere tutte le superfici.
Il laser non serve soltanto a rendere più liscia la superficie
CLASCO introduce però un concetto più interessante della semplice lucidatura. Dopo aver ridotto la rugosità, la superficie può essere modificata per attribuirle caratteristiche specifiche.
La tecnologia utilizzata è il Direct Laser Interference Patterning (DLIP). Il principio consiste nel far interferire fasci laser in modo controllato, producendo sulla superficie del materiale strutture periodiche con dimensioni nell’ordine dei micrometri e, in determinate configurazioni, ancora inferiori.
In questo modo non si modifica solamente l’aspetto del componente. La geometria microscopica della superficie può influenzare proprietà fisiche e funzionali come bagnabilità, attrito, comportamento nei confronti della corrosione e interazione con materiali biologici.
Il post-processing diventa quindi una fase attraverso la quale attribuire al pezzo caratteristiche che non dipendono soltanto dalla lega utilizzata o dalla geometria macroscopica progettata dal CAD.
Una macchina sviluppata per lavorare componenti 3D complessi
Per mettere insieme le diverse fasi è stata sviluppata una piattaforma integrata, indicata dal progetto come CLASCO Machine.
SYLAS laser systems ha contribuito con una testa per la macro-lucidatura laser e con una piattaforma CNC a cinque assi. Il sistema di lucidatura utilizza una sorgente laser continua di potenza nell’ordine dei kilowatt e può intervenire su superfici metalliche caratterizzate da elevata rugosità iniziale.
La piattaforma a cinque assi comprende tre assi di traslazione e due di rotazione, permettendo di orientare il pezzo rispetto al fascio laser. La camera può inoltre operare in atmosfera di gas nobile, utilizzando argon quando necessario per materiali sensibili all’ossidazione come il titanio.
La capacità di movimentazione tridimensionale è un elemento importante perché la produzione additiva viene scelta proprio quando occorre realizzare forme che sarebbero difficili da ottenere con procedimenti convenzionali.
SurFunction ha invece sviluppato una testa rotativa ELIPSYS per il trattamento DLIP di superfici tridimensionali. Il sistema utilizza ottiche progettate per creare strutture periodiche omogenee anche su componenti complessi e può modificare l’orientamento del pattern durante la lavorazione.
Questo consente di trattare selettivamente zone diverse del componente in funzione delle proprietà richieste.
Sensori controllano quello che accade durante la lavorazione
Un’altra parte centrale del progetto riguarda il controllo del processo.
New Infrared Technologies (NIT) ha fornito il sistema di imaging MWIR TACHYON 16k+, utilizzato per osservare termicamente la zona interessata dalla lucidatura laser.
Il sensore può acquisire immagini ad alta velocità e permette di analizzare l’andamento della temperatura del bagno fuso. Questa informazione può diventare fondamentale durante trattamenti prolungati: mentre il componente viene lavorato accumula calore e le condizioni che funzionavano all’inizio del ciclo potrebbero non essere più ottimali alcuni secondi o minuti più tardi.
Il controllo termico può quindi essere utilizzato per correggere i parametri del laser e mantenere maggiore stabilità durante il processo.
Per la microstrutturazione DLIP è stato integrato anche il sistema fastprocessobserver di nLIGHT plasmo, capace di raccogliere segnali ottici con frequenze di acquisizione molto elevate. I dati prodotti dai sensori vengono sincronizzati con quelli della macchina e costituiscono la base per l’analisi digitale del processo.
Gemello digitale e intelligenza artificiale entrano nel post-processing
CLASCO ha lavorato alla creazione di una rappresentazione digitale della lavorazione associata a ciascun componente.
L’idea è raccogliere parametri della macchina, dati termici, informazioni provenienti dai sensori ottici e risultati del trattamento superficiale in un’unica infrastruttura digitale.
Da questa base nasce il gemello digitale del processo.
L’intelligenza artificiale e gli algoritmi di machine learning possono quindi essere utilizzati per mettere in relazione le condizioni operative con il risultato finale e contribuire alla regolazione del processo.
L’obiettivo industriale è passare da parametri stabiliti in maniera statica a sistemi in grado di riconoscere deviazioni e, in prospettiva, intervenire sul processo attraverso circuiti di controllo a retroazione.
La combinazione di sensoristica e AI assume particolare importanza quando vengono trattati componenti diversi fra loro, perché geometria, materiale, temperatura e posizione del laser possono modificare il risultato della lavorazione.
Airbus: componenti più leggeri per l’A350
Le tecnologie sviluppate non sono rimaste limitate a provini di laboratorio. CLASCO ha previsto dimostratori direttamente collegati ad applicazioni industriali.
Per il settore aeronautico sono stati studiati componenti relativi all’Airbus A350.
La libertà progettuale offerta dalla produzione additiva è stata sfruttata già nella fase di design attraverso tecniche di ottimizzazione topologica.
Un supporto del sistema situato nella zona inferiore della fusoliera dell’A350 è stato riprogettato passando dalla lavorazione CNC di una lega di titanio Ti6Al4V alla produzione additiva di una lega di alluminio Scalmalloy, materiale basato sul sistema alluminio-magnesio-scandio.
Il nuovo progetto ha permesso una riduzione del peso di circa il 53%.
Un secondo componente, un leveraggio collegato allo stesso sistema, è stato alleggerito di circa il 38%.
In campo aeronautico la riduzione di massa di un singolo componente può apparire limitata, ma l’effetto acquista rilevanza quando il principio viene applicato a numerosi elementi presenti sull’aeromobile.
Il progetto CLASCO coinvolge anche Airbus Defence and Space
Nel settore spaziale è stato studiato un componente del sistema di separazione dei satelliti.
Il dimostratore riguarda una clamp band utilizzata per trattenere il payload prima della separazione. Nel processo tradizionale il componente viene realizzato mediante lavorazione di una lega di alluminio.
La soluzione CLASCO utilizza invece produzione additiva in Scalmalloy e ha permesso una riduzione del peso indicata intorno al 25%.
In questo caso la funzionalizzazione laser viene utilizzata anche per controllare il comportamento della superficie e, in particolare, l’attrito.
Tra le aziende direttamente coinvolte nelle applicazioni aerospaziali figurano Airbus Defence and Space e CT Ingenieros.
Il trattamento laser entra anche negli impianti medicali
Un secondo campo applicativo scelto dal progetto riguarda i dispositivi medicali.
Uno dei dimostratori è un componente femorale per protesi di ginocchio.
La produzione convenzionale può utilizzare leghe di cobalto-cromo ottenute tramite fusione. Il progetto CLASCO ha studiato invece la produzione additiva in lega di titanio Ti6Al4V, con l’obiettivo di realizzare un componente più leggero e di intervenire successivamente sulla superficie.
Nel caso di un impianto la finitura superficiale non ha soltanto una funzione estetica. Attrito, adesione e capacità di favorire l’osteointegrazione possono influenzare il comportamento del dispositivo una volta inserito nell’organismo.
La possibilità di generare mediante laser microstrutture controllate permette quindi di progettare non soltanto la forma dell’impianto, ma anche il modo in cui la sua superficie interagisce con il tessuto circostante.
CLASCO ha inoltre lavorato su una placca in titanio destinata alla guarigione ossea. In questo caso gli obiettivi comprendono il controllo dell’adesione cellulare e lo studio di proprietà superficiali utili in relazione alla contaminazione microbica.
Per il settore medicale il consorzio comprende DePuy Ireland, società appartenente all’area Johnson & Johnson MedTech.
Un consorzio che unisce industria e ricerca
CLASCO è stato coordinato dalla Technische Universität Dresden, sotto la guida del professor Andrés Fabián Lasagni, responsabile della cattedra di Laser-based Manufacturing.
Oltre a TU Dresden, il progetto ha riunito CATEC – Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales, SYLAS laser systems, New Infrared Technologies, Z Prime, ABCircular, Airbus Defence and Space, CT Ingenieros, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde (DGM), SurFunction, DePuy Ireland, Steinbeis 2i e nLIGHT.
La composizione del consorzio riflette il carattere del progetto: non soltanto sviluppo di una sorgente laser o di una tecnica di lucidatura, ma integrazione di progettazione, produzione additiva, ottica, movimentazione, sensoristica, software, controllo dei processi e valutazione ambientale.
La sostenibilità deve essere valutata sull’intera catena produttiva
Una parte del lavoro è stata dedicata all’impatto ambientale della produzione.
La riduzione del peso dei componenti e del materiale utilizzato rappresenta soltanto una parte del bilancio.
Nel metal additive manufacturing devono essere presi in considerazione anche la produzione delle polveri metalliche, la possibilità di riutilizzarle, il consumo energetico delle macchine, la durata dei cicli di lavorazione e l’impiego di gas inerti.
Anche il post-processing tradizionale può introdurre ulteriori passaggi, consumabili, lavorazioni meccaniche e scarti.
L’approccio di CLASCO punta quindi a valutare una catena integrata nella quale produzione additiva e trattamento laser vengano considerati come parti dello stesso processo industriale.
La possibilità di intervenire soltanto sulle zone che richiedono determinate caratteristiche superficiali potrebbe inoltre evitare lavorazioni estese all’intero componente quando non sono necessarie.
Il post-processing diventa parte della progettazione del componente
Uno degli elementi più interessanti emersi dal progetto è il cambiamento del ruolo attribuito alla finitura.
Nella produzione tradizionale il post-processing viene spesso considerato come una serie di operazioni necessarie per correggere o completare un pezzo già realizzato.
Con una catena come quella sviluppata da CLASCO, invece, la superficie può essere progettata insieme al componente.
Il progettista può ottimizzare la geometria per ridurre massa e materiale; la produzione additiva costruisce la forma; il laser riduce la rugosità e genera strutture microscopiche nelle aree selezionate; i sensori verificano la lavorazione; il gemello digitale raccoglie i dati e gli algoritmi possono contribuire alla regolazione dei parametri.
Il risultato non è quindi soltanto un componente stampato in 3D con una superficie più liscia, ma un pezzo nel quale geometria, peso e caratteristiche superficiali vengono considerate come parti di un unico processo produttivo.
La fase successiva indicata dai partner consiste nel rendere queste tecnologie più robuste ed efficienti e nel trasferirle ad altre applicazioni industriali. Se questa integrazione riuscirà a uscire dai dimostratori e a trovare spazio nelle linee produttive, il post-processing laser potrebbe diventare uno degli strumenti attraverso i quali la produzione additiva metallica passa dalla realizzazione della geometria alla vera e propria progettazione funzionale della superficie.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
