All’avanguardia nello sviluppo e nella realizzazione di strumenti sempre più rapidi e precisi, Renishaw, leader mondiale nel campo della metrologia e spettroscopia industriale, offre soluzioni che garantiscono miglioramenti concreti della produttività. La divisione Additive Manufacturing è coinvolta in un progetto europeo nel settore della metallurgia accelerata che prevede di raggiungere importanti risultati nei prossimi cinque anni. Giunta alla terza generazione di macchine in grado di realizzare manufatti complessi in tempi rapidi a partire dall’elaborazione di un disegno CAD 3D, uno degli obiettivi che l’azienda si pone è la diffusione su larga scala della fusione laser selettiva.
di Claudia Pirotta
Apply Innovation sempre e comunque, sfruttando tutte le tecnologie e le opportunità disponibili per lavorare con velocità, precisione e prestazioni superiori. Le due parole che appaiono sotto il logo Renishaw rappresentano al meglio le caratteristiche di una realtà capace di affrontare le sfide del mercato globale. In Italia, l’azienda è attiva con una propria filiale dal 1989. Dalla sede di Pianezza, alle porte di Torino, con un team di specialisti di prodotto, venditori e tecnici, opera sul mercato con una particolare attenzione verso il cliente. Casa madre inglese e sedi in tutto il mondo, Renishaw è protagonista indiscussa del mercato e punto di riferimento per quanti si occupano di metrologia, controllo del movimento, verifica delle macchine, CAD/CAM dentale, spettroscopia e soprattutto per quanti cercano precisione, efficienza e qualità. “La
nostra mission è sostenere la crescita attraverso continui investimenti nello sviluppo dei prodotti e dei processi”, spiega Roberto Rivetti, Managing Director della filiale italiana, “per queste ragioni, Renishaw oggi punta molto sulla divisione Additive
Manufacturing e sulla sua linea Selective Laser Melting (SLM)”. Quest’ultima assicura la costruzione di oggetti di piccole dimensioni grazie alla produzione additiva, realizzata a partire da un disegno CAD tridimensionale.
PRODUZIONE DI PEZZI DIRETTAMENTE DA CAD
La tecnologia, che fa riferimento al settore della metallurgia accelerata, è ancora relativamente poco diffusa pur presentando grandi potenzialità per le caratteristiche intrinseche di flessibilità, velocità e precisione nella produzione. Il sistema SLM è sostanzialmente una forma di prototipazione rapida, una variante rispetto alla tradizionale sinterizzazione laser selettiva, che impiega polveri metalliche integrali senza aggiunta di elementi basso fondenti e, di conseguenza, richiede una energia specifica più elevata per portare a fusione la polvere. Questo comporta l’indubbio vantaggio di poter ottenere elementi ad elevata densità, dal punto di vista metallurgico, con caratteristiche identiche a quelle ottenute realizzando i pezzi con tecnologie tradizionali: non sono assimilabili a prototipi, ma veri e propri manufatti, direttamente utilizzabili. Il prodotto finito può quindi essere ‘lavorato’ con le tecniche consuete per migliorarne la superficie (pallinatura o finitura manuale) oppure si possono eseguire le classiche lavorazioni con la macchina utensile (foratura, fresatura...). Un aspetto di particolare rilievo consiste, inoltre, nel fatto che la fusione laser selettiva garantisce un notevole aumento della flessibilità di progetto per costruire strutture complesse e forme nascoste: tutto ciò sarebbe impossibile con le tecniche tradizionali.
“Renishaw SLM può essere impiegata al meglio in tutte quelle applicazioni che richiedono produzioni in lotti relativamente piccoli, caratterizzati da grande variabilità di prodotti. È il caso, quindi, del settore automotive e in particolare il comparto racing, ma non solo: l’aeronautico, il navale, lo stampaggio e il medicale offrono sbocchi a 360° per questa tecnologia”. “L’investimento iniziale per l’acquisizione del macchinario - prosegue Rivetti - viene efficacemente ammortizzato grazie alla flessibilità e alla precisione dei sistemi, che consentono di ridurre i tempi delle tradizionali lavorazioni”.
I pezzi sono prodotti a partire da polveri finissime di metallo (alluminio, titanio, acciaio, inconel e cobalto-cromo), fuse in atmosfera controllata e in strati di spessore variabile tra i 20 e i 100 micron. Caratteristica standard di tutte le macchine Renishaw SLM è la capacità di trattare in sicurezza anche materiali reattivi, come il titanio e l’alluminio, grazie a un sofisticato sistema di controllo delle emissioni di processo e di manipolazione delle polveri. La perdita di materiale è, inoltre, ridotta al minimo in virtù del dispositivo di ricondizionamento, che consente di recuperare il 95% delle polveri.
UNA TECNOLOGIA, MOLTEPLICI APPLICAZIONI
“Questa tecnologia”, prosegue Rivetti, “è già in uso per la produzione di impianti medici personalizzati, componenti ultraleggeri per l’aeronautica e l’automobilismo sportivo, scambiatori di calore molto efficienti, strutture per protesi dentali e inserti per lo stampaggio a iniezione con canali di raffreddamento conformati. Tra i primi ad adottare questa metodologia ricordiamo i produttori di protesi ortopediche e dentali, che ne hanno tratto un grande beneficio grazie alla possibilità di produrre geometrie complesse, altamente personalizzate e di notevole resistenza strutturale, come quelle basate sul titanio e cromo-cobalto, leghe metalliche altamente biocompatibili”.
La fusione laser selettiva ha il potere di allargare la capacità produttiva verso forme libere e intricati assetti reticolari, permettendo così di combinare caratteristiche strutturali e superficiali in elementi ibridi, ideali per applicazioni ortopediche e dentali.
“L’obiettivo è migliorare l’osteointegrazione e, di conseguenza, la prognosi per il paziente. In altri settori, come la competizione sportiva o la produzione aeronautica, la tecnologia SLM assicura risultati ottimali per la componentistica leggera, senza in alcun modo comprometterne le funzionalità”.
La presenza di canali di raffreddamento conformati, possibile nei particolari prodotti con la fusione laser selettiva, consente ai designer delle placchette per gli utensili o degli inserti per lo stampaggio a iniezione di ampliare le potenzialità progettuali nella definizione di forme e strutture, oltre i limiti imposti da processi tradizionali e oltre le barriere imposte dallo stampaggio stesso.
“In un quadro più ampio”, spiega Rivetti, “la fusione laser selettiva è complementare alle tecnologie di produzione per asportazione di truciolo e rappresenta parte di un sistema di lavorazione integrato che include trattamenti termici e superficiali, contribuendo così a ridurre drasticamente scarti,tempi, costi”.
Le applicazioni in campo aeronautico presentano prospettive ancora più ambiziose: dalle strutture reticolari bioniche per le fusoliere degli aeromobili, che permetterebbero la realizzazione di grandi superfici trasparenti e panoramiche, alla biomimesi, ossia l’imitazione del funzionamento degli scheletri degli uccelli: grazie all’alternanza di cavità e di pareti solide è possibile conferire grande rigidezza
a strutture leggerissime. Allo stesso modo si possono pensare casi applicativi “avveniristici” nell'industria navale, in particolare per la realizzazione delle eliche, le cui palettature costituiscono una geometria complessa che, una volta ottimizzata, facilita l’efficacia della spinta.
MATERIALI BEN TRATTATI
Per operare in completa sicurezza alcuni materiali devono essere trattati in atmosfera inerte e le macchine SLM Renishaw, giunte alla terza generazione con i modelli SLM250 e SLM125, si distinguono perché dotate di un metodologia esclusiva nell'ottenere questa essenziale condizione di funzionamento.
“All’inizio del processo”, spiega Rivetti, “si crea nell’area di lavoro una condizione di vuoto a -968 mbar rispetto all’atmosfera circostante, dopo di che la camera viene riempita con circa 400 l di argon purissimo. In questo modo, durante lo svolgimento
del processo, l’atmosfera è sempre mantenuta sotto le 1.000 parti per milione (0,1%) di ossigeno, con l’opzione di scendere a 50 parti per milione (0,005%), necessarie al trattamento del titanio”.
Il vantaggio delle macchine SLM Renishaw in questo caso è il ridottissimo consumo di gas (30-50 l/h), che permette di rendere “ininfluente” il minor costo dell’azoto e di utilizzare argon puro al 99,9999% per tutte le lavorazioni.
L'IMPORTANZA DEL SOFTWARE
Tutte le tecnologie di produzione additiva si basano sull’interpretazione di modelli tridimensionali per creare i formati di file specifici per la macchina. Il formato di trasferimento dati più utilizzato è STL, un’opzione standard per la maggior parte dei pacchetti CAD, che va completato nel software macchina per aggiungere strutture di supporto e fissaggio al substrato stesso di produzione e per collocare correttamente nello spazio parti separate nei primi livelli di stratificazione, ma unite in corrispondenza di strati più alti.
Il file di lavoro utilizzato dalla macchina contiene anche variabili di processo esclusive per il sistema SLM Renishaw, che definiscono potenza del laser, tempi di esposizione e altri parametri critici che variano in base ai materiali, alle geometrie e ai requisiti di produttività.
GLI ANNI DELLA SFIDA
Know-how tecnologico eccellente, capacità di pensare in modo globale, profonda cultura organizzativa sono i pilastri del successo di Renishaw. “La sfida per la diffusione su larga scala della fusione laser selettiva si giocherà su diversi fronti”, dice Roberto Rivetti. “Da un lato, sarà necessario diffondere la conoscenza e il know-how specifico per le diverse applicazioni, che dovrà essere condiviso tra utilizzatori che ricoprano ruoli complementari nel processo produttivo. In parallelo, la spinta delle aziende costruttrici di macchine e materiali dovrà complessivamente orientarsi verso la ricerca e l’innovazione tecnologica, in particolare nell'ambito del trattamento termico e di superficie, pensando a macchine sempre più intelligenti, capaci di autoapprendimento e capaci di usare metodi e attrezzature standardizzate per la tracciabilità dei processi. Tutte queste potenzialità sono oggi in fase di esame e costituiranno il corpo principale delle linee di sviluppo per gli anni a venire”.
L’approccio combinatorio sembra essere quello che promette un’evoluzione “rivoluzionaria”, foriera di innovazioni importanti in settori quali la raccolta di energia, i materiali ultraresistenti e i materiali attivi, tutti comparti di grande interesse per le ovvie ripercussioni sulla società civile e di indubbio fascino per tutti coloro che amano le “scoperte” tecnologiche.
Per operare in completa sicurezza alcuni materiali devono essere trattati in atmosfera inerte e le macchine SLM Renishaw, giunte alla terza generazione con i modelli SLM250 e SLM125, si distinguono perché dotate di un metodologia esclusiva nell'ottenere questa essenziale condizione di funzionamento.