I leader del settore parlano della crescita esponenziale delle leghe di alluminio nella produzione additiva

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SmarTech Publishing ha recentemente pubblicato il suo primo report sulla produzione additiva di leghe di alluminio. Durante la fase di ricerca, sono state condotte diverse interviste con i principali operatori e attori di mercato. Tutte le informazioni raccolte sono state usate, in combinazione con il materiale SmarTech e il database hardware, per realizzare proiezioni e previsioni a 10 anni sull’adozione dell’alluminio in AM. Mentre le informazioni quantitative sono state impiegate nel report, vi presentiamo di seguito alcuni dati qualitativi acquisiti durante le interviste in cui i principali soggetti interessati parlano delle tendenze che vedranno l’alluminio divenire uno dei materiali più ricercati nell’AM.

Alluminio, dalla prototipazione alla produzione

Un motivo per cui l’alluminio è tanto interessante risiede nel fatto che il 3D printing si trova in una fase di transizione dalla prototipazione verso tecnologie di produzione per quantitativi maggiori. I produttori sono alla ricerca di materiali leggeri e più efficaci dal punto di vista dei costi rispetto al titanio e alle super-leghe del nickel come Inconel. Mentre l’alluminio AlSi10Mg è oggi il materiale più comunemente usato, i produttori stanno cercando nuove leghe in alluminio, specifiche per l’AM. “L’alluminio AlSi10Mg è il materiale più utilizzato da Materialise,” conferma Ingo Uckelman, Technical Manager 3D Printing di Materialise. Anche Peter Mercelis è d’accordo  “La maggior parte delle applicazioni dell’alluminio in AM odierne riguardano la prototipazione”.  Ex responsabile delle Tecnologie Applicate presso 3D Systems, Mercelis ha lasciato l’azienda a Febbraio 2018 per fondare una compagnia che investe sul futuro dei dispositivi medici. “Ancora non vedo un elevato volume di applicazioni produttive – ha spiegato – ma è solo questione di tempo. Nel nostro caso, si tratta probabilmente del terzo o quarto materiale, dopo le leghe di acciaio e quelle a base di nickel. Assistiamo ad un trend crescente per quanto riguarda l’alluminio.”

Additive Industries, un altro importante produttore di sistemi in metallo PBF, ha confermato tramite un portavoce che la compagnia sta assistendo a una domanda crescente per quanto concerne le leghe di alluminio per via del loro eccellente bilanciamento di peso, costo del materiale e caratteristiche. “L’alluminio è il nostro materiale primario e assistiamo a una tendenza crescente verso lotti di produzione più estesi,” conferma Martin Kappler, Global Manager Metal Powder, 3D Metals & Services, presso SLM Solutions. “Basti pensare alla sua adozione all’interno dell’industria automobilistica. Dal momento che il numero di parti necessarie è elevato, hanno bisogno di sistemi più grandi e camere di produzione più estese. Per questo credo che l’alluminio, combinato con acciaio e titanio, diventerà uno dei principali materiali nella produzioni additiva.”

Secondo Heraeus, uno dei principali produttori di polveri per AM, l’adozione dell’alluminio aumenterà in maniera significativa, mentre i prezzi delle polveri atomizzate di alluminio caleranno altrettanto significativamente nel corso dei prossimi anni. “Le ragioni sono due,” ha spiegato Reiner Meisel, AM Product Manager: “La prima è valida per tutti i materiali e risiede le fatto che la tecnologia dell’AM sta esercitando una sempre maggiore attrattiva sull’industria. Pertanto, un calo dei prezzi è già iniziato. Ma c’è anche il fatto, soprattutto per le polveri di alluminio, della capacità eccedente massiva che ha causato un calo della domanda dal settore del fotovoltaico solare.” Sebbene ciò sia vero per le leghe in alluminio attualmente disponibili, i principali produttori di alluminio stanno lavorando allo sviluppo di nuove leghe specifiche per l’AM.

Aggirare gli ostacoli con Scalmalloy

Sono diversi gli ostacoli che devono ancora essere superati prima che l’alluminio per AM diventi un’opzione davvero sostenibile per la produzione. “La sfida per le tecnologie laser sta esattamente nell’espandere ulteriormente la gamma di leghe che possono essere attualmente elaborate,” ci ha detto un portavoce di Additive Industries. “Molte leghe sono state sviluppate per altri processi come la fusione e possono presentare effetti come la lacerazione da calore durante l’elaborazione in AM. Per questo motivo Additive Industries offre ora Scalmalloy, una lega in alluminio ad alte prestazioni sviluppata appositamente per l’AM.”

L’esigenza di leghe in alluminio specifiche per l’AM è stata sottolineata dal CEO di Arcam Magnus René. Al momento, il produttore svedese di sistemi hardware EBM  (tra l’altro proprietario di AP&C, uno dei principali produttori di polveri per AM) non offre supporto per l’alluminio ma le cose potrebbero cambiare se nuove leghe, come Scalmalloy, divenissero più ampiamente disponibili.  “Più o meno tutti i materiali che usiamo oggi nella produzione additiva non sono stati creati per questo processo ma erano stati realizzati precedentemente per la fusione o per altre applicazioni,” ha spiegato Martin Kapple di SLM Solution “Probabilmente, la maggior parte delle leghe in alluminio usate oggi nell’AM erano state originariamente inventate per la fusione.”

Andrea Pasquali, General Manager presso l’agenzia italiana di servizi per 3D printing  Zare, ha già realizzato una serie di case studies sull’AM di Scalmalloy. Zare è partner ufficiale di APWorks per lo sviluppo di Scalmalloy. “[Scalmalloy] è ideale per le applicazioni dedicate allo spazio e all’aviazione, al momento non lo immagino impiegato per le applicazioni di tutti i giorni.  – ha spiegato. “Principalmente è un problema di costi, sia in termini di materiali grezzi, che per quanto riguarda i processi di produzione. Si tratta di un processo di produzione piuttosto lento rispetto a quello dell’alluminio tradizionale. Nel contempo, questo nuovo materiale registra prestazioni meccaniche pari al doppio rispetto alle leghe di alluminio standard, come AlSi7 e AlSi10. Soffre un po’ la temperatura elevata ma è un ottima alternativa al titanio.”

“La richiesta di leghe ultra-leggere e altamente resistenti nel settore aerospaziale è significativa ma oggi ci troviamo ancora a fare i conti con alcune problematiche tecniche per quanto riguarda le leghe in alluminio,” ha affermato Mercelis di 3D Systems. “Durante la stampa si formano delle spaccature in quanto l’alluminio è un conduttore termico. Da una parte, si tratta di una buona caratteristica per quanto riguarda lo scambio di calore, ma dall’altra ciò comporta problemi in termini di riflettività del laser. Quindi accade che una piccolissima quantità di laser viene assorbita dal materiale stesso. In più, l’elevata velocità di raffreddamento durante la produzione di queste leghe in alluminio provoca delle spaccature. Stiamo lavorando per migliorare la tecnologia stessa per poter creare parti senza crepe e completamente riempite usando queste leghe ad alta resistenza.”

“L’alluminio è molto reattivo in presenza di ossigeno,” ha aggiunto Meisel. Ciò significa che occorre un’attrezzatura speciale per produrlo e per maneggiarlo. Ciò di cui abbiamo bisogno per affrontare questa e altre sfide è collaborare e lavorare alla standardizzazione dell’additive manufacturing e delle polveri in metallo per l’AM. Oggi, progettiamo tutto in base alle polveri: stiamo lavorando a come confezionare una polvere, stiamo cercando di fissare degli standard. Stiamo cercando di stabilire in che modo un materiale debba essere caratterizzato. Oggi siamo limitati alla progettazione di come le polveri vengono maneggiate prima, durante e dopo il processo. In futuro, progetteremo la polvere stessa affinché offra le caratteristiche desiderate per prodotti e parti specifiche.”

Alla conquista della strada…e del cielo

Molti ritengono che la possibile adozione da parte del segmento dell’automotive per la produzione delle parti, porterà le leghe in alluminio a diventare i materiali più richiesti in AM. Tuttavia, ci vorrà ancora del tempo. “Sicuramente vediamo un interesse da parte dell’industria dell’automotive ma ciò è in primo luogo ai fini della prototipazione,” ha spiegato Mercelis di 3D Systems. “La sostenibilità economica dell’additive manufacturing è ancora molto complessa. Ci sono alcune eccezioni ma gran parte delle richieste dall’automotive riguardano ancora la prototipazione. Con l’aumentare della produttività nel corso dei prossimi anni, ciò potrebbe cambiare,” ha concluso.

Additive industries considera già Scalmalloy come opzione sostenibile per la produzione di parti. Renè concorda. “Sia nel settore aerospaziale che in quello dell’automotive, le applicazioni più rilevanti dell’AM sono di pre-assemblaggio. Si tratta delle parti per cui la stampa 3D ha un senso al giorno d’oggi. Prima o poi, quando le macchine lo consentiranno, sarà probabile che le grandi parti vengano stampante in 3D in alluminio piuttosto che in titanio. Nell’automotive possono esserci alcune applicazioni a lungo termine, ma per essere davvero competitivi in questo settore, è necessaria una maggiore efficienza. Il vantaggio dell’alluminio – conclude – è il basso peso specifico. Pertanto, le leghe in alluminio sono molto interessanti nelle applicazioni in cui il peso è cruciale, ovvero nel settore aerospaziale e, per alcuni casi specifici, nell’automotive.”

La Toyal ha recentemente avviato una partnership con APWorks – la compagnia di proprietà di Airbus che per prima ha ottimizzato Scalmalloy per l’AM – al fine di diventare anch’essa un produttore della lega in alluminio a prestazioni elevate. “Abbiamo identificato tre segmenti di mercato,” ha affermato Fabrice Morvan, Market Development Manager di Toyal. “Uno è quello dei produttori di macchinari in quanto muovono grandi quantitativi di materiale. Inoltre, siamo in contatto con specialisti di additive manufacturing e agenzie di servizi. Il terzo target è quello di lavorare direttamente con i fornitori specifici di primo livello nei settori automotive e aerospaziale.

“Siamo in contatto con compagnie come GE, Saffron e ci concentriamo principalmente sull’aerospaziale. Inoltre, c’è da considerare che la nostra principale attività non relativa all’additive manufacturing, consiste principalmente nella produzione di pigmenti metallici per le vernici impiegate nell’industria automobilistica. Ciò significa che abbiamo rapporti eccellenti con questo settore. Toyal Japan è un affermato leader di mercato nel campo dell’alluminio e vanta solidi legami con Toyota e Honda. Prevediamo che questo ci aprirà le porte in futuro.”

Sfruttare al meglio tutto ciò

Quali sono i principali vantaggi dell’adozione dell’alluminio nell’AM? Spesso non è solo questione di efficacia a livello di costi e peso leggero.  “L’ottimizzazione del peso è un aspetto importante ma si tratta di una caratteristica che si ottiene anche con il titanio. In molti casi, il vantaggio è la conduttività termica”, ha affermato Mercelis. “Il motivo per cui abbiamo optato per l’AM risiede nelle proprietà meccaniche di Scalmalloy,” ha aggiunto Morvan. “Si tratta di una delle prime leghe realizzate appositamente per la manifattura additiva ed è anche una delle prime leghe in alluminio per AM ad offrire proprietà meccaniche altamente auspicabili.”

I vantaggi dell’uso dell’alluminio in AM  possono essere molti e dipendono dall’applicazione. Ad esempio, nel settore aerospaziale, le proprietà materiali dell’alluminio vengono usate, con la libertà di progettazione offerta dall’AM, per produrre componenti considerevolmente più leggeri rispetto ai loro analoghi realizzati con i macchinari tradizionali. “Le industrie aerospaziali hanno effettuato questa transizione,” afferma Mercelis, “Ora ragionano in termini di come progettare per il funzionamento ottimale e propongono applicazioni valide. Nell’automotive invece, non si assiste ancora a tale transizione. È più una questione di sostituire le parti attuali con l’AM e in molti casi ciò non è possibile. E dal momento che la produttività non è ancora arrivata a quei livelli, il settore continuerà ad esitare nel passaggio di pensiero verso le modalità di progettazione per il funzionamento ottimale piuttosto che concentrarsi su una produzione ottimale.”

L’opportunità offerta dal binding jetting

Un’opportunità molto interessante per il futuro da medio a lungo termine è rappresentata dall’introduzione dei processi di metal binder jetting che potrebbero essere attuabili per lotti di dimensioni superiori e addirittura per la produzione di massa. HP, Desktop Metal, Stratasys e altre compagnie, si stanno muovendo in questa direzione. “Credo che questo sarà il futuro della produzione in AM,” ha affermato Andrea Pasquali.  “In particolare, abbiamo ammirato la visione di Desktop Metal per i Sistemi di produzione. Oggi, noi di Zare, usiamo i sistemi di fusione a letto di polvere; tuttavia, siamo convinti che nel futuro a lungo termine, la maggior parte della produzione AM sarà espletata con le tecnologie di binder jetting. Abbiamo già chiesto di lavorare sia con Desktop Metal che con HP sui sistemi in arrivo e di aiutarli nello sviluppo del materiale e del processo. Ci vorranno un paio di anni e non credo che questi sistemi possano mai sostituire la fusione a letto di polvere per quanto espandano le capacità dell’AM oltre i limiti attuali in termini di produttività.”

Potrebbe volerci ancora qualche anno prima che la tecnologia diventi disponibile per le polveri di alluminio. “Trovo che sia interessante perché è anche molto veloce,” ha detto Meisel, “ma poi sì, sarà necessario gestirla come con il Metal Injection Molding, e, ad essere onesti, non sarà molto semplice. La sinterizzazione dell’alluminio in una fornace non è cosa da poco e potrebbero esserci problemi con i binding che contengono ossigeno. Questa potrebbe essere la ragione per cui il MIM dell’alluminio non riscuote tanto successo. Sono certo che possiamo lavorarci su, in quanto la discussione e la condivisione di informazioni portano a nuove idee.”

 

 

Autore Martina Pelagallo

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