La produzione additiva di grande formato è la soluzione giusta per il settore aerospaziale

A questo punto dell’evoluzione della produzione additiva, non ci sono dubbi sulla rilevanza della tecnologia per le applicazioni aerospaziali. E non stiamo parlando solo di un singolo processo di produzione additiva: gli OEM del settore aerospaziale stanno adottando sempre più una vasta gamma di processi e soluzioni di stampa 3D per una varietà di casi d’uso, dalla sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), alla modellazione a deposizione fusa (FDM ), alla produzione additiva di grande formato (LFAM). In quest’ultima categoria, l’azienda italiana Caracol è ben posizionata per supportare i produttori aerospaziali per la produzione di utensili compositi di grande formato e sta espandendo il proprio know-how e le proprie capacità per la produzione di parti strutturali metalliche di grandi dimensioni per applicazioni nello spazio. Come vedremo più in dettaglio, le esclusive e versatili soluzioni LFAM dell’azienda, per materiali compositi e metallici, offrono numerosi vantaggi e consentono agli operatori aeronautici e aerospaziali di raggiungere livelli più elevati di innovazione ed efficienza.

Le soluzioni LFAM di Caracol

Dalla sua fondazione nel 2017 a Milano, Caracol è diventata un attore chiave nel panorama LFAM grazie al suo approccio application-first. Nei suoi primi giorni, l’azienda ha iniziato come fornitore di servizi di stampa 3D, sfruttando la sua tecnologia di produzione additiva robotizzata e le capacità di progettazione e ingegneria interne per produrre una serie di progetti e parti qualificate per partner in una vasta gamma di settori diversi. Da lì, l’azienda ha sviluppato e commercializzato la sua tecnologia LFAM per polimeri e compositi, Heron AM, una stampante 3D robotica a 6 assi, in grado di produrre parti senza limiti di scala e geometrie complesse. Dal lancio della piattaforma, è stata adottata con entusiasmo da importanti OEM nei settori avanzati.

La soluzione di stampa 3D Heron AM di grande formato, basata su hardware brevettato e software proprietario, è compatibile con una vasta gamma di materiali (inclusi PP, ABS e PC con rinforzo in fibra di vetro o carbonio) e offre numerosi vantaggi all’aviazione e all’aerospaziale settori, tra cui:

• Riduzione di peso
• Consolidamento parziale
• Pianificazione flessibile della produzione
• Materiali specializzati
• Disegni complessi
• Minor consumo di carburante
• Riduzioni dei costi

Più recentemente, Caracol è entrata anche nella sfera AM in metallo e sta attualmente sviluppando un sistema di produzione additiva ad arco di filo (WAAM). La tecnologia viene utilizzata per produrre componenti metallici su larga scala, come parti finite non strutturali, prototipi di parti strutturali per test e componenti critici per astronavi. Il sistema non è ancora commercializzato, ma è fondamentale per diversi progetti di ricerca innovativi, tra cui uno per l’industria spaziale che esploreremo più in dettaglio più avanti nell’articolo.

Strumenti compositi nell’aviazione civile

Nel settore dell’aviazione civile, la soluzione Heron AM di Caracol ha un enorme potenziale per la produzione di attrezzature composite. Ad esempio, la tecnologia è stata utilizzata con successo per fabbricare uno strumento di taglio e foratura da un ABS rinforzato con fibra di vetro, nonché uno strumento di laminazione a freddo realizzato con ABS rinforzato con fibra di carbonio. Entrambi gli strumenti sono stati utilizzati nella produzione e manutenzione della fusoliera degli aerei.

Gli strumenti di rifilatura e perforazione vengono utilizzati nella costruzione e manutenzione della fusoliera degli aerei per tagliare e modellare materiali come alluminio, titanio e compositi. I componenti della fusoliera devono essere precisi e soddisfare i severi standard dell’industria aeronautica, quindi è importante che i produttori di aeromobili dispongano dei mezzi per produrre strumenti di rifinitura e taglio di alta qualità conformi alle specifiche. Gli utensili per la laminazione a freddo, da parte loro, sono anch’essi un elemento importante nella produzione e manutenzione degli aeromobili. In particolare, vengono utilizzati dalle squadre di manutenzione nella riparazione dei sistemi di fusoliera sul campo per applicare un sottile strato di pellicola protettiva sulla superficie dei componenti della fusoliera, contribuendo a prolungare la durata del velivolo proteggendolo da corrosione, graffi e altri danni operativi.

Nella produzione di questi strumenti aeronautici, Caracol ha utilizzato la configurazione Heron 300+ dotata di un estrusore High Flow (HF). Questo sistema LFAM, nella sua configurazione standard senza binario, è in grado di stampare utensili fino a tre metri di lunghezza. Entrambi gli utensili sono stati stampati in un unico pezzo, riducendo al minimo la necessità di assemblaggio, e sono stati rifiniti utilizzando la lavorazione CNC per garantire tolleranze ristrette e una finitura superficiale ottimale.

Rispetto ai tradizionali processi di attrezzaggio, la soluzione di Caracol consente ai produttori di aviazione di ridurre lo spreco di materiale (fino al 70-80%), ridurre il peso degli utensili (dell’80-90% per facilitare il trasporto e lo stoccaggio) e dimezzare i tempi di consegna (da 12 settimane a 5-6 settimane). Questo, a sua volta, porta a un notevole risparmio sui costi di circa il 50%.

Strumenti di cura per velivoli eVTOL

Caracol sta anche esplorando l’uso della sua tecnologia per la cura degli utensili, in particolare per lo stampaggio di prepreg termoindurenti in segmenti come gli aerei eVTOL (Electric Vertical Take-Off and Landing). Gli strumenti di polimerizzazione vengono utilizzati nel processo di laminazione della fibra di carbonio e sono in genere progettati su misura in base alla geometria del componente finale. Nella produzione di velivoli eVTOL, questi strumenti sono realizzati con compositi ad alte prestazioni, come il policarbonato con rinforzo 20% CF, e devono essere in grado di resistere a processi in autoclave a media temperatura (fino a 180° C e 6 bar in termini di temperatura di lavoro e pressione). Sfruttare LFAM per produrre direttamente gli stampi in composito può ridurre le fasi di produzione (ovvero non è più necessario un modello master). Inoltre, grazie alla flessibilità progettuale di AM, lo strumento può essere ottimizzato per peso e movimentazione, facilitando la logistica e lo stoccaggio.

“Grazie ai suoi sei assi e alla portata del braccio di diversi metri, Heron AM stampa utensili polimerizzati con geometrie complesse in un unico ciclo di lavoro senza necessità di assemblaggio”, spiega Caracol. “La maggior parte delle volte dopo la stampa, lo stampo viene post-elaborato con CNC per raggiungere la rugosità superficiale e le tolleranze dimensionali richieste per la sua superficie lavorabile. Questo ci permette anche di dotare lo stampo di scanalature per rifilare il componente finale direttamente nello stampo”. Alla fine, i produttori di velivoli eVTOL possono ottenere un vantaggio competitivo e aumentare l’efficienza produttiva rivolgendosi a LFAM per gli strumenti di cura, poiché facilita la riduzione degli scarti, tempi di consegna più rapidi e costi di produzione inferiori.

Parti metalliche LFAM nello spazio

La portata di Caracol nell’industria aerospaziale si è estesa anche oltre la produzione additiva composita di grande formato: l’azienda sta attualmente promuovendo l’uso della produzione additiva in metallo per parti strutturali su larga scala per applicazioni nello spazio. Grazie a una collaborazione con la società di logistica spaziale D-Orbit SpA e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano, Caracol sta lavorando a un progetto per lo sviluppo di serbatoi a pressione che possono essere montati su satelliti vettore per trasportare e rilasciare in orbita i CubeSat. Questi CubeSat compatti vengono quindi utilizzati per una varietà di cose, come la raccolta di dati e la ricerca, nonché le operazioni di telecomunicazione e monitoraggio sia per la ricerca che per le applicazioni commerciali.

Caracol è stata coinvolta nel progetto innovativo a seguito di un bando finanziato, TechFast Lombardia (POR FESR 2014-2020). In breve, l’azienda ha utilizzato la sua soluzione di stampa 3D WAAM—basato su un sistema di saldatura MIG (Metal Inert Gas)—per sviluppare un serbatoio pressurizzato da una lega leggera di alluminio (AL2319). L’uso di AM ha già offerto diversi vantaggi rispetto al processo più convenzionale di avvolgimento del filamento, tra cui design più complessi e ottimizzati, meno spreco di materiale e una riduzione del peso superiore. La riduzione del peso è particolarmente importante per questa applicazione, in quanto può ridurre significativamente i costi del carburante e del propellente associati ai lanci dei satelliti, nonché ridurre le emissioni di lancio del veicolo spaziale. Il processo WAAM di Caracol semplifica anche il processo di produzione stampando le parti in un unico pezzo. Ciò elimina la necessità di assemblaggio (così come di gusci, anime, mandrini, raccordi, ecc.) e riduce significativamente i tempi di consegna.

Questo progetto metal AM è significativo anche su un altro livello. Come spiega Caracol, i partner del progetto hanno anche sviluppato un “flusso digitale” che combina software, controllo e automazione per gestire il processo end-to-end di creazione di parti metalliche aerospaziali. Questo flusso digitale consente all’utente finale di “controllare ogni fase del processo all’interno di un flusso di lavoro altamente automatizzato ed efficiente che garantisce la ripetibilità, rendendo le tecnologie WAAM un’alternativa efficace ed efficiente alla produzione tradizionale”.

Sfide e opportunità per LFAM nel settore aerospaziale

Le soluzioni LFAM di Caracol per materiali compositi e metallici si inseriscono in una tendenza più ampia nell’AM aerospaziale, letteralmente. L’industria è interessata alla produzione additiva di grande formato e sta lavorando in collaborazione con gli attori AM per superare i limiti e le sfide esistenti per l’implementazione della tecnologia al fine di massimizzarne i benefici e l’impatto.

Una delle maggiori sfide odierne ha a che fare con la mancanza di standard tecnologici e approcci di certificazione per LFAM, e anche AM più in generale. Come afferma Caracol: “Affinché l’hardware AM garantisca qualità e coerenza, sono necessari severi controlli di qualità e procedure di qualificazione e certificazione. Gli standard devono essere perfezionati e concordati in tutto il settore per garantire la ripetibilità, l’affidabilità e la qualità dei componenti AM per le applicazioni aerospaziali”.

In altre parole, sono necessari processi di certificazione per LFAM affinché la tecnologia sia pienamente praticabile per la produzione di componenti strutturali di aeromobili. La sfida principale per stabilire questi processi di certificazione è legata ad alcuni fattori, tra cui la mancanza di una caratterizzazione dettagliata e di database di proprietà AM. Fortunatamente, ISO e ASTM stanno sviluppando ed evolvendo una gamma di standard AM, che aiuteranno i fornitori AM a soddisfare i severi requisiti delle applicazioni aerospaziali. Ad esempio, il processo Heron AM di Caracol detiene la certificazione AS/EN 9100, che garantisce il rispetto dei severi standard di qualità per la produzione di applicazioni aerospaziali.

Anche la caratterizzazione dei materiali è una questione importante che deve essere affrontata, in particolare quando si tratta di compositi stampati in 3D. I compositi prodotti tradizionalmente hanno trasformato l’aviazione civile e commerciale dagli anni ’80 e sono comunemente usati come alternativa più leggera ai materiali metallici. La capacità di stampare compositi in 3D potrebbe quindi aprire ancora più opportunità per i produttori di aeromobili riducendo lo spreco di materiale e alleggerendo ulteriormente le parti attraverso progetti ottimizzati. E questo per non parlare della capacità di produrre parti in composito più rapidamente e di affrontare la produzione di piccoli volumi in modo efficiente in termini di costi. Con un’ulteriore standardizzazione e convalida su questo fronte, l’LFAM composito potrebbe diventare una soluzione diffusa e altamente vantaggiosa per l’aviazione.

In definitiva, affrontare queste sfide renderà le piattaforme LFAM sempre più praticabili per le applicazioni aerospaziali e consentirà a una gamma più ampia di OEM di aeromobili di raccogliere i vantaggi della tecnologia. Vantaggi come il risparmio di materiale e la riduzione del peso, che si traduce in un minor consumo di carburante; progetti più complessi ottimizzati per le prestazioni; consolidamento delle parti, che semplifica le fasi di post-produzione come l’assemblaggio e la garanzia della qualità; volumi di produzione più agili; e infine tempi di consegna più rapidi e costi di produzione inferiori.