AM per la sostenibilità: la stampa 3D per un domani migliore

La sostenibilità è stata di recente un importante argomento di tendenza in AM. Quando i professionisti della produzione provenienti da segmenti industriali diversificati hanno iniziato a comprendere i possibili usi dell’AM nella produzione di massa, l’utilizzo dell’AM per la sostenibilità è stato indicato come uno dei fattori chiave di questa transizione. Quanto è reale questo concetto? È un pio desiderio o greenwashing? È davvero promettente per un futuro più sostenibile? 

3dpbm è alquanto parziale su questo argomento. Consideriamo AM come l’unico processo di produzione veramente sostenibile e l’unico modo per rendere finalmente tutta la produzione più efficiente dal punto di vista energetico. Questo è uno dei motivi per cui ci siamo interessati a questo segmento della produzione industriale (gli altri sono la digitalizzazione e i progressi tecnologici e scientifici all’avanguardia). 

Siamo anche molto consapevoli che questa promessa è lungi dall’essere realizzata. AM oggi è ancora in gran parte un processo autonomo che integra altri processi. In alcuni casi è anche ad alta intensità energetica, contribuendo così all’aumento delle emissioni. Utilizza materiali come plastica non riciclabile a base di petrolio e metalli delle terre rare che rappresentano una delle cause principali dei problemi di inquinamento della Terra.

Dire che AM per la sostenibilità è un dato di fatto potrebbe non essere accurato. Ma può essere corretto affermare che AM è l’unico modo per la produzione industriale di diventare finalmente sostenibile. Al fine di valutare la veridicità di questa affermazione, daremo un’occhiata ai recenti usi di AM per la sostenibilità nei segmenti delle applicazioni primarie per capire quanto siano realmente sostenibili.

Aerospaziale: stampa 3D di aerei più leggeri

Mercato totale indirizzabile per AM nelle parti aerospaziali: 900 miliardi di dollari nel 2020

Il traffico aereo potrebbe essere diminuito drasticamente durante la crisi del COVID-19, ma prima della pandemia era in forte espansione e cresceva a ritmi incredibili. I motori degli aerei bruciano tonnellate di combustibili fossili e sono responsabili di gran parte delle emissioni globali. AM potrebbe svolgere un ruolo nel ridurre queste emissioni riducendo significativamente il peso dei futuri velivoli.

Airbus è stato tra i primi grandi produttori di aeromobili a esplorare i potenziali vantaggi di AM. La storia dell’aviazione è stata fatta il 20 giugno 2014 quando la prima parte metallica stampata in 3D, una staffa in titanio, ha preso il volo a bordo di un aereo di linea commerciale Airbus. 

La riduzione del peso è il Santo Graal dell’ingegneria aerospaziale: ogni chilogrammo risparmiato evita l’emissione di 25 tonnellate di CO2 durante la vita di un aeromobile. Le parti prodotte da AM pesano fino al 55% in meno, riducendo al contempo la materia prima utilizzata fino al 90%. La decarbonizzazione è il motivo per cui l’industria aerospaziale e Airbus hanno guidato la carica nella stampa 3D.

L’applicazione di questi nuovi paradigmi di produzione non deve aspettare anni prima che venga sviluppata la prossima generazione di velivoli, un processo che abbraccia decenni. Piuttosto, la tecnologia può essere utilizzata per sostituire una parte su un modello di aeromobile esistente con una versione stampata in 3D più leggera.

A settembre 2017, dopo test approfonditi e approvazione EASA, la prima parte stampata in titanio 3D è stata installata su un aereo di produzione in serie. Questo è stato il primo passo verso l’installazione di parti stampate in 3D più complesse sugli aeromobili di produzione Airbus, che devono soddisfare i più elevati standard di sicurezza e qualità. 

Da questa pietra miliare, dozzine di fornitori di servizi di produzione additiva e fornitori di componenti per l’industria aerospaziale hanno prodotto un numero sempre maggiore di componenti aeronautici con peso ottimizzato per motore e cabina, in plastica e metallo.

Nel 2019, GE ha fatto la storia della produzione additiva con il primo volo del Boeing 777X: ciascuno dei due GE9X che alimentano il velivolo ha integrato più di 300 parti stampate in 3D, tra cui quasi 250 pale di turbine a bassa pressione (stampate in 3D in alumide di titanio su GE Sistemi Arcam EBM), una punta dell’ugello del carburante che spruzza con precisione una miscela di carburante e aria nella camera di combustione e uno scambiatore di calore. Un altro, l’induttore, aiuta a estrarre polvere, sabbia e altri detriti che il motore ha ingerito e ne prolunga la durata. Questo tipo di componente era così difficile da produrre che non era mai stato utilizzato all’interno di un motore a reazione GE commerciale prima. 

Esploreremo tutte queste possibilità e nuove opportunità nel nostro nuovissimo eBook AM Focus Aerospace, in uscita la prossima settimana.

Automotive: potenziare la mobilità elettrica

L’alleggerimento è anche il principale motore per l’uso di AM in termini di rendere il trasporto automobilistico più sostenibile. Questo è diventato più un fattore negli ultimi anni con l’introduzione dei veicoli elettrici (compresi tutti i tipi di sistemi di mobilità elettrica), poiché questi possono beneficiare in modo significativo di auto più leggere in termini di chilometraggio. 

AM potrebbe (e probabilmente lo farà) svolgere un ruolo sempre più rilevante nella produzione di elementi di powertrain EV e, in alcuni casi, anche per la produzione diretta di grandi parti di smart-EV, come con Olli in gran parte stampato in 3D di Local Motors. 

Nel recente AM Focus Automotive di 3dpbm abbiamo esaminato più da vicino le opportunità dell’AM nelle parti e nelle batterie dei propulsori EV [LINK]

Stampa di parti di propulsori per veicoli elettrici

Mercato totale indirizzabile per AM nelle parti di propulsori EV: 20 miliardi di dollari nel 2020 e in crescita

Nei propulsori EV, l’uso dell’AM è particolarmente efficace per la riduzione dei componenti, portando a una riduzione del peso e a miglioramenti delle prestazioni, che a loro volta consentiranno un chilometraggio più elevato. Tuttavia, l’effettiva penetrazione dell’AM nei veicoli elettrici, al di là delle applicazioni condivise con i motori a combustione, come il telaio, i freni e le applicazioni di flusso del fluido, dipende fortemente dalla capacità di implementare l’AM nella produzione di batterie in serie. Alcuni sforzi in questo ambito sono già in corso, ma sono ancora lontani dal diventare una consolidata opportunità di business.

Nei motori elettrici, un focus particolarmente interessante per AM è il rame. L’azienda tedesca Additive Drives ha presentato casi applicativi promettenti. Uno riguarda le bobine singole stampate in 3D utilizzate su un motore da corsa. In un altro progetto, gli avvolgimenti a forcella in rame stampati in 3D hanno ridotto a un mese il tempo necessario per lo sviluppo e la produzione di un prototipo di motore elettrico di trazione. Inoltre, è stata ottenuta la produzione diretta di singoli lotti per il produttore di pedelec con sede a Dresda Binova: utilizzando bobine singole stampate in 3D, Binova ha prodotto diversi tipi di biciclette elettriche con un design del motore elettrico non convenzionale e nessuna regolazione degli strumenti.

Più recentemente, Porsche e SLM Solutions hanno rivelato un progetto incentrato sulla produzione di un alloggiamento completo per un azionamento elettrico utilizzando la stampa 3D. L’alloggiamento E-Drive stampato in 3D sull’unità motore-cambio è stato prodotto utilizzando il processo PBF in metallo laser e ha superato tutti i test di qualità e stress. In futuro questo potrebbe diventare un metodo di produzione praticabile. Porsche ha anche collaborato con GKN su una parte cementata che è stata notevolmente migliorata tramite PBF laser in metallo utilizzando una polvere di metallo per cementazione di nuova concezione, 20MnCr5. In totale, Porsche ha già identificato 52.000 parti che avrebbero avuto successo con la stampa 3D. 

L’uso del processo di produzione additiva in combinazione con la polvere di nuova concezione di GKN porta a una significativa ottimizzazione del peso, dell’inerzia e della rigidità dell’alloggiamento del differenziale e della corona dentata, pur mantenendo la fedeltà e gestendo tutti i requisiti di carico. Ciò è stato possibile integrando funzionalità e combinando componenti principalmente conflittuali.

Stampa di batterie per veicoli elettrici

Mercato totale indirizzabile per AM nelle batterie EV: 16 miliardi di dollari nel 2020 e in rapida crescita

Nei veicoli elettrici, le dimensioni e il peso della batteria hanno grandi implicazioni sulle prestazioni del veicolo. Una batteria più grande e più pesante sottrae spazio all’abitacolo/ripostiglio e peggiora l’efficienza energetica e il risparmio di carburante. Il modo migliore per ottimizzare le prestazioni è quindi massimizzare la densità di energia della batteria, ovvero avere una batteria piccola e leggera che immagazzina quanta più energia elettrica possibile.

Le batterie sono complicate e particolarmente interessanti per AM in un futuro (che si avvicina rapidamente). Sono stati compiuti diversi sforzi per produrre batterie utilizzando diverse tecnologie di stampa 3D, sia con materiali polimerici che ceramici. Poiché le batterie possono assumere molte forme e dimensioni diverse per una migliore efficienza, l’AM potrebbe rivelarsi strumentale per testare, e infine produrre, diverse nuove iterazioni di progettazione. 

Le batterie utilizzate oggi nei veicoli elettrici sono fondamentalmente file di centinaia di batterie di piccole dimensioni fissate insieme per aumentare la capacità. Con la stampa 3D, le singole celle non devono essere prodotte e assemblate: il modulo può essere progettato e stampato nella forma complessiva desiderata. L’AM può anche fare la differenza nella struttura degli elettrodi di una batteria: gli elettrodi porosi aumentano la densità di energia e l’AM è ideale per costruire i materiali degli elettrodi in forme reticolari che hanno una superficie più esposta per lo svolgimento delle reazioni chimiche, risultando in una batteria più efficiente.

L’azienda svizzera Blackstone Resources ha recentemente raggiunto una serie di importanti traguardi per la sua tecnologia di stampa 3D proprietaria per stampare batterie a stato solido agli ioni di litio. Il processo di stampa 3D di Blackstone afferma di offrire vantaggi sostanziali rispetto ai tradizionali design delle celle della batteria che utilizzano elettroliti liquidi. Questi includono costi significativamente inferiori, un livello più elevato di flessibilità di produzione, quando si tratta del formato della cella, e un aumento del 20% della densità di energia. Inoltre, utilizzando questa tecnologia, il numero di materiali che non immagazzinano energia (come rame e alluminio) potrebbe essere ridotto fino al 10%. L’azienda svizzera ha anche sviluppato un flusso di lavoro per produrre in serie queste batterie nel 2021 in qualsiasi forma utilizzando la tecnologia di stampa delle batterie proprietaria.

Anche Sakuu Corporation (in precedenza KeraCel Inc.) ha appena presentato una nuova stampante 3D per batterie di livello industriale, sviluppata specificamente per le batterie per la mobilità elettrica. La rivoluzionaria tecnologia ha lo scopo di sbloccare l’adozione mainstream di veicoli elettrici ed elettrici risolvendo i precedenti problemi di costi, prestazioni, sostenibilità e autonomia. Offrendo una capacità di produzione di batterie “locale” su scala industriale, è probabile che la tecnologia di Sakuu acceleri in modo significativo l’uso dei veicoli elettrici fornendo maggiore fiducia a produttori e consumatori.

Sostenuta dal principale fornitore giapponese di componenti automobilistici dei principali OEM, Musashi Seimitsu, Sakuu è destinata a consentire la produzione rapida e ad alto volume di batterie a stato solido (SSB) stampate in 3D, che hanno la stessa capacità delle batterie agli ioni di litio ma sono la metà taglia e quasi un terzo più leggero. Gli SSB a marchio KeraCel dell’azienda utilizzeranno anche dal 30 al 50% in meno di materiali, che possono essere acquistati localmente, per ottenere gli stessi livelli di energia delle opzioni agli ioni di litio, riducendo significativamente i costi di produzione. Inoltre, gli SSB di Sakuu offriranno maggiori vantaggi in termini di sicurezza e sostenibilità.

Una svolta fondamentale nella produzione con la nuova soluzione di Sakuu è la sua tecnologia multi-AM. Questo mescola il letto di polvere e la deposizione di materiale a getto e utilizza multi-materiali completamente diversi in una capacità a strato singolo. Il processo combina ceramica e metallo, nonché il materiale di supporto proprietario di Sakuu, PoraLyte, che rimuove i limiti di sporgenza delle parti e consente la creazione più facile e veloce di dispositivi con canali interni e cavità.

Inoltre, con solo la metà del fabbisogno di materiale e un “processo da polvere a polvere” che garantisce una più facile riciclabilità della ceramica e dei metalli con i metodi convenzionali, i KeraCel SSB ottengono punteggi molto più alti in termini di sostenibilità. Non è necessario estrarre la grafite e l’assenza di polimero significa nessun incenerimento o seppellimento in una discarica.

Prodotti di consumo 

Mercato totale indirizzabile per AM nei prodotti di consumo: oltre 2 trilioni di dollari nel 2020

I principali vantaggi che la stampa 3D può offrire per rendere i prodotti di consumo più sostenibili riguardano tutti la riduzione dei consumi dei consumatori. Ciò può essere ottenuto attraverso la personalizzazione di massa, la produzione su richiesta e utilizzando meno materiale (possibilmente riciclato o riciclato) attraverso l’ottimizzazione della forma e del processo.

Nel recente AM Focus Consumer Products di 3dpbm abbiamo esaminato da vicino le opportunità di AM in più segmenti di beni di consumo [LINK]

Calzature ottimizzate

Le calzature sono un segmento che ha già iniziato ad adottare AM per la sostenibilità nella produzione di milioni di parti, principalmente intersuole, dotate di forme ottimizzate e un processo di produzione completamente digitale più snello. Il più evidente è l’uso da parte di Adidas della tecnologia DLS di Carbon per la produzione in serie delle intersuole della serie FUTURECRAFT. In futuro, AM potrebbe anche svolgere un ruolo nella razionalizzazione della produzione di tomaie per calzature.

Con un modello Adidas, ADIDAS e Parley For The Oceans, l’azienda di calzature ha combinato intersuole stampate in 3D con tomaie in plastica riciclata dai rifiuti oceanici. Secondo uno studio pubblicato dai ricercatori dell’Università della Georgia nel 2010, si stima che 8 milioni di tonnellate di plastica finiscano negli oceani. 

Adidas, in collaborazione con Parley for the Oceans, ha svelato questo nuovo concept che fa convergere l’idea con le sue scarpe FUTURECRAFT stampate in 3D con una parte superiore del corpo eco-compatibile formata da materiali plastici provenienti dall’oceano e l’intersuola stampata in 3D in poliestere riciclato e reti da imbrocco. 

Tuttavia, mentre la produzione di intersuole stampate in 3D ottimizzate è stata ora ampliata con successo a milioni, è probabile che l’uso di plastica oceanica altamente degradata per la produzione di calzature rimanga principalmente un concetto ispiratore. Tuttavia, può essere utilizzato da Adidas in vari altri modi, come mobili o infissi per negozi.

Occhiali personalizzati di massa, on-demand

Un altro esempio di come la stampa 3D possa indirettamente rendere i prodotti di consumo più sostenibili si trova nel settore degli occhiali, dove gli attuali processi e pratiche di produzione di massa implementati dai più grandi attori del mercato sono estremamente dispendiosi. La possibilità di produrre e personalizzare occhiali on-demand potrebbe eliminare molti di questi sprechi.

King Children, una startup con sede a Brooklyn, è una delle tante aziende che hanno iniziato a utilizzare la stampa 3D per produrre occhiali personalizzati su richiesta. Questo nuovo approccio non solo utilizza materiali più facilmente riciclabili, ma può anche ridurre drasticamente il numero di montature per occhiali prodotte e sprecate.

L’attuale modello di business implementato dalle aziende che dominano il mercato si basa sulla vendita di migliaia e persino milioni di prodotti di occhiali. Tuttavia, poiché questi modelli sono stagionali e poiché i marchi altamente riconoscibili ad essi associati non possono consentire a una riduzione di prezzo di attraversare tutto l’inventario invenduto, vengono semplicemente eliminati. Inoltre, poiché sono generalmente realizzati in acetato, impossibile da riciclare, vanno direttamente in discarica.

King Children e molte altre startup di occhiali stampati in 3D e aziende più affermate, tra cui Materialise, stanno guidando questa rivoluzione nel mercato degli occhiali rendendo disponibili su richiesta occhiali personalizzati di massa o piccole tirature di modelli di occhiali unici, eliminando così efficacemente tutti gli sprechi, anche agli stessi prezzi degli occhiali di marca attualmente disponibili.

Prodotti stampati in 3D riciclati

Ci sono molti esempi di prodotti stampati in 3D realizzati con plastica riciclata, cemento e rottami metallici. Un progetto particolarmente affascinante, Forust, utilizza legno di scarto. 

Forust è un nuovo processo che utilizza la tecnologia di getto di legante di produzione di Desktop Metal per produrre in modo sostenibile parti in legno funzionali per uso finale. Il processo Forust ricicla i sottoprodotti di scarto della produzione del legno (polvere di cellulosa) e dell’industria della carta (lignina) e rimaterializza le parti in legno funzionali attraverso la stampa 3D ad alta velocità, inclusa la grana digitale in tutta la parte.

Il processo combina due flussi di rifiuti della produzione tradizionale del legno, segatura e lignina, per produrre parti in legno isotropiche ad alta resistenza in modo sostenibile. A seconda delle dimensioni dei pezzi, Forust può realizzare prodotti in legno utilizzando il sistema Shop o una versione personalizzata della nuova stampante 3D RAM 336, che supporta stampe fino a due metri cubi di volume a velocità superiori a 100 litri di pezzi per ora. 

Durante il processo di stampa, strati di segatura appositamente trattata vengono sparpagliati e uniti selettivamente da un legante atossico e biodegradabile. La grana digitale viene stampata su ogni strato e le parti possono quindi essere levigate, colorate, lucidate, tinte, rivestite e rifinite allo stesso modo dei componenti in legno tradizionali. A differenza del truciolare o del laminato, Forust produce una parte in legno con una grana digitale che scorre su tutta la parte che può essere levigata e rifinita. Il software è in grado di riprodurre digitalmente quasi tutte le venature del legno, inclusi palissandro, frassino, Zebrano, ebano e mogano, tra gli altri. Le parti supporteranno anche una varietà di coloranti per legno al momento del lancio, tra cui naturale, rovere, frassino e noce.

Energia

La produzione additiva ha trovato applicazioni in diversi settori dell’industria energetica, sia nella costruzione di prototipi che nella produzione tradizionale, portando alla semplificazione dei processi e all’efficienza operativa. AM può produrre componenti con geometrie complesse, oltre a consumare meno materie prime, produrre meno rifiuti e avere un consumo energetico ridotto e un time-to-market ridotto.

I produttori si rivolgono ad AM per soluzioni con costi ridotti e tempi più brevi. Analizzando il segmento della generazione di energia e il possibile impatto che la produzione additiva avrà su di esso, si possono fare diverse generalizzazioni sulle apparecchiature energetiche.

AM per i reattori nucleari di nuova generazione

Mercato totale indirizzabile per AM nella produzione di impianti e apparecchiature nucleari: 40 miliardi di dollari nel 2020

Forse (e letteralmente) il segmento più caldo per l’adozione di AM è l’industria nucleare civile. Da quando Siemens ha installato con successo una parte stampata in 3D, una girante metallica del diametro di 108 millimetri (mm) per una pompa antincendio, nella centrale nucleare di Krško in Slovenia, sono state sviluppate nuove applicazioni AM per centrali nucleari. Con i materiali adeguati, tra cui ceramica e metalli refrattari, l’AM può essere utilizzato per parti obsolete che non sono più disponibili, consentendo alle vecchie centrali elettriche di continuare le loro operazioni. Recentemente, materiali di schermatura dalle radiazioni come il carburo di boro sono diventati disponibili come polveri per il binder jetting sui sistemi ExOne.

La ricerca avanzata sull’uso di ricambi e pezzi di ricambio stampati in 3D per i reattori nucleari è iniziata ufficialmente nel 2016, quando il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha annunciato che GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) era stata selezionata per guidare un progetto di ricerca sulla produzione additiva da 2 milioni di dollari. Il progetto fa parte di un investimento di oltre 80 milioni di dollari nella tecnologia nucleare avanzata.

GEH ha guidato il progetto producendo campioni di pezzi di ricambio per centrali nucleari. I campioni sono stati stampati in 3D su metallo presso la struttura GE Power Advanced Manufacturing Works a Greenville, SC e quindi spediti all’Idaho National Laboratory (INL). Una volta irradiati nell’Advanced Test Reactor dell’INL, i campioni sono stati testati e confrontati con un’analisi del materiale non irradiato condotta da GEH. I risultati vengono ora utilizzati da GEH per supportare la distribuzione di parti stampate in 3D per combustibili, servizi e nuove applicazioni di impianti.

Più recentemente, la Westinghouse Electric Company ha installato un componente stampato in 3D in un reattore nucleare commerciale presso la centrale nucleare Byron Unit 1 di Exelon durante la sua interruzione di rifornimento primaverile. Westinghouse gestisce la fusione di metallo AM a letto di polvere, nonché la saldatura laser a filo caldo (HWLW), come parte della sua offerta di produzione avanzata. La ricerca e lo sviluppo sono inoltre in corso per identificare più applicazioni della stampa 3D nell’industria nucleare.

Uno di questi, supportato dall’Office of Nuclear Energy del DOE, è il Transformational Challenge Reactor (TCR) Demonstration Program, un approccio senza precedenti per sviluppare un nucleo di un reattore stampato in 3D entro il 2023. Nell’ambito della distribuzione di un reattore nucleare stampato in 3D, il programma creare una piattaforma digitale che aiuterà a trasferire la tecnologia all’industria per la rapida adozione della tecnologia dell’energia nucleare prodotta in modo additivo. Attraverso il programma TCR, ORNL sta cercando una soluzione a una tendenza preoccupante: sebbene le centrali nucleari forniscano quasi il 20% dell’elettricità statunitense, più della metà dei reattori statunitensi verrà ritirata entro 20 anni, in base alle attuali date di scadenza delle licenze. 

Le cose ora si stanno muovendo molto velocemente nell’industria nucleare, un grande cambiamento rispetto al passato, specialmente sul fronte degli SMR (piccoli reattori modulari) che sono versioni ridotte dei reattori nucleari che includono sia la tecnologia attuale che quella di IV generazione (neutroni veloci). Di recente, il 15 maggio, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha assegnato sovvenzioni a GE Research e al Massachusetts Institute of Technology (MIT) per progetti di ricerca volti a sviluppare la tecnologia del gemello digitale per reattori nucleari avanzati utilizzando l’intelligenza artificiale e controlli di modellazione avanzati. I progetti di ricerca utilizzeranno un gemello digitale del piccolo reattore modulare BWRX-300 dell’azienda come progetto di riferimento. 

L’AMswer soffia nel vento

Mercato totale indirizzabile per AM nella generazione di energia eolica: 44 miliardi di dollari entro il 2030

Lo sviluppo e l’innovazione attraverso materiali e tecnologie di produzione sono essenziali per la prosperità dell’industria eolica e per continuare ad aumentare la sua produzione annuale di energia. In futuro, AM potrebbe consentire la produzione in loco di componenti di turbine progettati per le esigenze uniche delle risorse di una particolare località. Inoltre, AM può aiutare a soddisfare la domanda e l’offerta di pezzi di ricambio per turbine eoliche di modelli fuori produzione, per i quali il produttore avrà quantità limitate. La produzione di stampi e modelli è un’altra area chiave e collaudata per la stampa 3D nelle apparecchiature per la generazione di energia eolica. La produzione di modelli è uno dei processi più dispendiosi in termini di tempo e lavoro nella costruzione di pale eoliche e la stampa 3D può contribuire a risparmiare queste risorse critiche.

Nel settore eolico, le tecnologie AM esistenti ea livello di R&S hanno il potenziale per incidere sui costi di prototipazione e produzione degli strumenti e dei componenti dell’energia eolica. Secondo uno studio pubblicato da ORNL, le aree di applicazione AM per componenti eolici che possono essere economicamente fattibili, dato il ritmo in corso dei progressi tecnologici AM, includono stampi per pale a stampa diretta che sono stati studiati in modo più approfondito per comprenderne il potenziale e i costi; coperture funzionalizzate della navicella; magneti permanenti; e scambiatori di calore leggeri e ad alta efficienza.

In futuro, le tecnologie AM potrebbero consentire la produzione in loco di parti di turbine, nonché la produzione di componenti ottimizzati per il sito, adattati alle risorse eoliche e di rete uniche di una determinata località. Con la maturazione anticipata di nuove tecnologie, come la produzione additiva di grandi formati (LFAM), la produzione additiva ad alta e larga capacità (WHAM) e le macchine AM per metalli su larga scala, potremmo eventualmente assistere a un cambiamento verso la stampa diretta di una varietà di vento componenti della turbina. 

Un potenziale vantaggio chiave è che le grandi pale eoliche non dovrebbero essere trasportate su lunghe distanze, in particolare quando è impossibile trasportarle sulle autostrade. Invece, la stampante 3D potrebbe essere utilizzata in loco e stampare le lame, risparmiando così sui costi di trasporto. Ciò ridurrebbe anche del 35% i tempi di realizzazione dello stampo e consentirebbe di combinare diversi materiali in diverse aree della lama.

Ciò significa che non solo potrebbero essere implementate tecnologie di produzione additiva di polimeri e metalli di grande formato, ma anche quelle del cemento. Gli ingegneri della Purdue University stanno sviluppando un modo per realizzare parti di turbine eoliche in cemento stampato in 3D, un materiale meno costoso che consentirebbe anche alle parti di galleggiare in un sito da un impianto a terra.

I ricercatori stanno lavorando in collaborazione con RCAM Technologies, una startup fondata per sviluppare la produzione additiva concreta per la tecnologia dell’energia eolica onshore e offshore, comprese le torri e le ancore delle turbine eoliche. Eliminando la necessità di stampi, il processo di produzione additiva del calcestruzzo di RCAM potrebbe ridurre il costo di capitale di una sottostruttura e di una torre offshore rispetto ai metodi convenzionali fino all’80%, utilizzando calcestruzzo di provenienza regionale a basso costo senza costose casseforme e aumentare la velocità di produzione fino a 20 volte.

Combustibili fossili più puliti

In passato, abbiamo esaminato come l’AM può rendere più sostenibile il processo di estrazione di petrolio e gas. Può sembrare controintuitivo, ma i combustibili fossili continueranno a far parte del mix energetico mondiale per molti decenni, quindi dobbiamo imparare a lavorarci nel miglior modo possibile. AM può aiutare.

Kueppers Solutions, un’azienda tedesca specializzata nella riprogettazione di prodotti efficienti dal punto di vista energetico e nell’ottimizzazione degli attuali impianti di processo termico sostituendo i combustibili fossili o riducendo le loro emissioni con tecnologie più efficienti, collabora con GKN come partner per le sue attività AM, che recentemente si sono concentrate sulla riduzione Emissioni di NOx da centrali termoelettriche.

In un recente progetto che ha coinvolto diverse istituzioni, Kueppers ha lavorato allo sviluppo di una nuova unità di miscelazione per bruciatori a gas in grado di ridurre significativamente le emissioni di ossido di azoto. La geometria innovativa dell’unità di miscelazione è stata ovviamente realizzata utilizzando la stampa 3D per creare una miscela gas-aria dosata con precisione che brucia meglio.

Gli ossidi di azoto (NOx) sono una famiglia di gas velenosi altamente reattivi che si formano quando il carburante viene bruciato ad alte temperature. Kueppers ha commissionato i primi sistemi di riferimento all’inizio del 2019 e mira a diventare un fornitore paragonabile a un produttore di sistemi di iniezione nell’industria automobilistica. Per ridurre significativamente le emissioni di ossidi di azoto, migliaia di bruciatori industriali devono essere adattati.

Nel settore dei bruciatori industriali, alcune dimensioni e dimensioni si sono affermate tra i produttori. Paragonabile alla sostituzione di una lampadina con una lampada a risparmio energetico, molti bruciatori degli impianti esistenti potrebbero quindi essere sostituiti senza dover rinnovare l’intero impianto. Visto che i sistemi di trattamento termico vengono utilizzati da 30 a 50 anni, questa opzione è particolarmente importante.

Costruzioni

Mercato totale indirizzabile per AM nelle costruzioni: 10,5 trilioni di dollari

Alla fine del 2020, in AM Focus Construction di 3dpbm, abbiamo esaminato da vicino le opportunità per AM nel settore edile [LINK]

Oltre a offrire un processo più sostenibile per la costruzione delle case (eliminando la necessità di casseforme e utilizzando miscele di cemento riciclato), uno dei casi d’uso più rilevanti per la stampa 3D nelle costruzioni è stato visto nella produzione di basi per gigantesche turbine eoliche.

La società danese COBOD, che produce grandi stampanti 3D per la stampa robotica di edifici, ha avviato una collaborazione con GE e LafargeHolcim nel 2019 per sviluppare torri eoliche in cemento stampato in 3D. I partner hanno stampato in 3D la prima torre base di 10 metri nel 2019, seguita da un’altra nel 2020. Il successo di questa partnership ha ispirato GE ad affrontare il Leaders Summit on Climate organizzato dalla Casa Bianca, presentando come il suo lavoro potrebbe portare alla creazione di torri extra-alte e minori emissioni di CO2.

Cibo

Mercato totale indirizzabile per AM negli alimenti a base vegetale: 7 miliardi di dollari nel 2020, in rapida crescita

La produzione di carne, latticini e uova mette a dura prova l’ambiente rispetto a qualsiasi altro tipo di produzione alimentare. A causa dell’aumento della popolazione mondiale e di una quantità costantemente decrescente di terreni agricoli, l’umanità ha bisogno di trovare soluzioni praticabili per soddisfare i suoi bisogni alimentari.

Più di 66 miliardi di polli, tacchini, maiali, mucche, pecore e anatre sono stati uccisi e macellati ogni anno in tutto il mondo nel 2016. C’è una discrepanza tra la scienza e la consapevolezza del benessere degli animali nella società e la pratica dell’allevamento industrializzato. Mangiare animali significa che la catena alimentare, che inizia con le piante e termina con l’uomo, si allunga e con ciò sprechiamo molto cibo che potrebbe essere utilizzato per nutrire le persone. 

L’Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura (FAO) stima che la domanda di carne aumenterà di oltre due terzi nei prossimi 40 anni e che gli attuali metodi di produzione non sono sostenibili. È probabile che nel prossimo futuro sia la carne che altri alimenti di base diventino costosi articoli di lusso, grazie alla crescente domanda di colture per la produzione di carne. Questo a meno che non troviamo un’alternativa sostenibile.

Il bestiame contribuisce al riscaldamento globale attraverso il rilascio incontrollato di metano, un gas serra 20 volte più potente dell’anidride carbonica. L’aumento della domanda aumenterà notevolmente i livelli di metano, anidride carbonica e protossido di azoto e causerà una perdita di biodiversità.

La fondazione Future Food ritiene che i prodotti alimentari artificiali o bioficiali dovranno essere più economici della carne, delle uova o del latte convenzionali derivati ​​dagli animali. Saranno anche potenzialmente più salutari dei prodotti animali, con una serie di vantaggi aggiuntivi direttamente correlati alla possibilità di personalizzare un pasto.

Negli ultimi anni sono emerse una moltitudine di startup sempre più ben finanziate che offrono carne e prodotti lattiero-caseari a base vegetale o di agricoltura cellulare.

Pesce stampato in 3D

Revo Foods, una startup austriaca, ha presentato un metodo per la stampa 3D del “salmone” a base di una proteina vegetale. L’azienda ha sviluppato le sue alternative ai frutti di mare a base vegetale dallo scorso anno a Vienna, con l’obiettivo di ricreare completamente la consistenza, la struttura, il gusto e il profilo nutrizionale dei frutti di mare, come salmone e tonno, utilizzando ingredienti al 100% di origine vegetale.

L’azienda ha sviluppato una nuova tecnologia basata su un processo di stampa 3D alimentare che ricrea con precisione la consistenza e l’aspetto dei frutti di mare. Nel processo di stampa 3D, ingredienti naturali e salutari come proteine ​​di piselli, estratti di alghe e fibre alimentari vengono combinati per un eccellente valore nutritivo e gusto. Ciò conferisce ai prodotti Revo Food un aspetto realistico. Inoltre, il processo è stato ottimizzato per evitare sprechi alimentari nel processo di produzione e conservare vitamine e oli omega-3 più sani.

Con i prodotti Revo Food i consumatori possono trovare un’alternativa sana e più sostenibile rispetto ai prodotti della pesca industriale e dell’acquacoltura. I primi prodotti che arriveranno sul mercato sono le strisce di salmone affumicato (The Smokey One) e le creme spalmabili di salmone (The Creamy One), mentre Revo continua a sviluppare il sashimi vegetariano di salmone e tonno. Questi prodotti sono diventati disponibili in Austria alla fine del 2020 e l’azienda ora prevede di espandersi in più mercati europei.

Rafforzandolo con AM

Aleph Farms, una startup con sede a Tel Aviv, è una delle numerose startup israeliane che lavorano alla produzione di carne commestibile che non comporta la macellazione di animali. Anni fa sarebbe sembrato impossibile, ma ora questa innovazione è a portata di mano e promette di portare benefici etici e ambientali.

La startup israeliana si è già distinta per la coltivazione di carne sintetica nello spazio, in particolare nel segmento russo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Le società americane Meal Source Technologies e Finless Foods hanno collaborato all’esperimento con la 3D Bioprinting Solutions con sede in Russia. Per far crescere la carne, le cellule bovine sono state raccolte sulla Terra e portate nello spazio. Lì, la stampante 3D ha prodotto la carne in condizioni mai sperimentate prima.

Aleph Farms ora è seriamente intenzionata a sviluppare la sua tecnologia come metodo praticabile per nutrire la popolazione mondiale in continua crescita. L’obiettivo è quello di rendere possibile l’accesso a carni di alta qualità utilizzando risorse minime, attraverso una produzione totalmente biocompatibile.

L’elaborato metodo dell’azienda consiste nel prelevare cellule staminali da un animale vivo e combinarle con fattori di crescita che duplicano il naturale processo di rigenerazione muscolare di una mucca. Quindi, un bioink e una speciale stampante 3D vengono utilizzati per ricostruire la carne uno strato alla volta. 

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