L’AM può aiutare a combattere il cambiamento climatico con una produzione più sostenibile?

I rischi del cambiamento climatico ora hanno bisogno di poche presentazioni. Stiamo già iniziando a convivere con gli impatti di un clima che cambia su comunità, aziende e catene di approvvigionamento. Il più recente rapporto dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ha fornito la notizia snervante che il mondo potrebbe superare il limite critico di 1,5°C entro il 2030, esponendo molti di noi a impatti potenzialmente gravi sul nostro stile di vita. Di fronte al riscaldamento globale e ai cambiamenti climatici, le aziende stanno diventando sempre più consapevoli che devono ripensare le proprie pratiche commerciali e perseguire metodi di produzione più sostenibili.

Oggi c’è una crescente consapevolezza che la redditività finanziaria deve andare di pari passo con l’integrità ambientale.

Quando si tratta di produzione, la sostenibilità si riferisce alla produzione e alla fabbricazione di prodotti fabbricati attraverso processi economicamente validi che riducono al minimo gli impatti ambientali negativi preservando l’energia e le risorse naturali.

Tuttavia, l’implementazione dei principi di sostenibilità nella produzione è una sfida complessa, che costringe le aziende a confrontarsi con dilemmi e prendere decisioni con obiettivi e valori contrastanti.

Pratiche di produzione più sostenibili

La produzione additiva può creare componenti complessi che in genere sarebbero molto impegnativi, se non impossibili, con metodi di produzione sottrattiva più tradizionali. I vantaggi della produzione additiva sono numerosi, tra cui una maggiore libertà di progettazione e personalizzazione, una maggiore resistenza e funzionalità del prodotto, tempi di assemblaggio ridotti per componenti complessi, produzione localizzata, tempi rapidi di commercializzazione, riduzione degli sprechi, obsolescenza ridotta, minore dipendenza dai fornitori tradizionali e persino la creazione di nuovi materiali con proprietà meccaniche e comportamentali uniche.

Oltre a tutti questi vantaggi, nonostante la tecnologia sia in una fase di adozione relativamente precoce, sta anche mostrando segni di offrire potenziali benefici ambientali.

Con alcuni che già la rivendicano come una tecnologia verde[1], la produzione additiva ha un potenziale significativo per ridurre il volume delle risorse naturali tipicamente utilizzate; aumentare l’efficienza dei materiali; ridurre l’obsolescenza delle scorte e lo spreco di materiale; migliorare la funzionalità e prolungare la vita del prodotto; consentire un facile accesso ai pezzi di ricambio; ridurre il peso dei componenti chiave; mitigare la necessità di attrezzature speciali nella fabbricazione delle parti e ridurre le emissioni grazie alla minore necessità di trasporto.

La leggerezza è per molti produttori, in particolare quelli del settore dei trasporti, un obiettivo finale per ridurre il consumo di carburante e, a sua volta, ridurre la propria impronta di carbonio per perseguire un approccio di produzione più sostenibile. La produzione additiva consente la progettazione di componenti notevolmente più leggeri, oltre a consentire l’integrazione di più componenti in un’unica parte, riducendo potenzialmente il numero totale di parti da saldare insieme in fase di assemblaggio. Consente inoltre design altamente innovativi di parti con maggiore funzionalità che spesso possono essere troppo complesse per essere fuse. Alcune delle parti del motore più avanzate volte a ridurre significativamente il peso e il consumo di carburante possono ora essere prodotte con successo grazie alla produzione additiva.

Più una parte stampata è complessa, più è vantaggioso utilizzare la produzione additiva, poiché il costo e l’energia per la stampa non dipendono dalla complessità del componente[2]. I componenti possono anche essere riprogettati per fornire funzionalità aggiuntive, ad esempio, un migliore raffreddamento integrando canali di raffreddamento nella struttura per migliorare l’efficienza energetica e le prestazioni dell’intero prodotto. Le parti speciali possono essere prodotte rapidamente e su richiesta, consentendo l’accesso più o meno immediato ai pezzi di ricambio per le riparazioni che non solo possono prolungare la vita di un prodotto, ma possono mitigare la necessità di un ampio stoccaggio e inventario[3], tutte cose necessarie spazio ed energia per diventare operativi. E se la stampa avviene in loco, senza bisogno di trasporto, si possono evitare anche le emissioni dei veicoli. Per di più, un approccio additivo piuttosto che sottrattivo alla produzione significa che una parte maggiore del materiale di risorsa finirà nella parte stampata, riducendo così lo spreco di materiale[4]. Quando la maggior parte dell’impatto ambientale di un prodotto deriva dalla produzione della sua materia prima, è fondamentale ridurre al minimo i suoi rifiuti.

Si stima che la quantità di rifiuti di materie prime creati dalla produzione sottrattiva potrebbe essere ridotta fino al 90% utilizzando un metodo di produzione additiva.[1] Oltre ai rifiuti di materie prime, la produzione convenzionale consuma anche altre risorse come refrigeranti, lubrificanti e utensili che non sono necessari per la produzione additiva. Tutti questi sono elementi chiave che possono aiutare a implementare metodi di produzione sostenibili e aiutare a contrastare il cambiamento climatico, oggi e in futuro.

Tuttavia, ciò non significa che la produzione additiva non generi alcun spreco. Ciò include, ad esempio, alcune polveri di materiale non più riciclabili, scarti generati da difetti imprevisti e le strutture di supporto create per stampare componenti con parti a sbalzo.

La mosca nella camera di stampa

Il più grande potenziale svantaggio della produzione additiva che non raggiunge il suo pieno potenziale come metodo di produzione più sostenibile è l’utilizzo di energia, sia nel tipo che nel volume di energia che consuma. Per ottenere i futuri potenziali benefici ambientali è importante che il processo tragga il massimo vantaggio dalla transizione energetica verso l’energia rinnovabile. Per combattere il cambiamento climatico, il mondo sviluppato ha l’obiettivo di raggiungere il Net Zero entro il 2050 e mentre politiche, incentivi e iniziative di sostenibilità sono in gran parte in atto, la realizzazione di un ambiente industriale elettrificato completamente rinnovabile è ancora lontana.

Nel frattempo, tuttavia, sarà importante cercare di ridurre al minimo il numero delle attuali fonti di energia utilizzate per supportare il processo di produzione additiva. Un’attività per aiutare a gestire il consumo di energia che può essere implementata in tempi relativamente brevi è garantire che il processo di produzione additiva stesso sia ottimizzato, mitigando così i potenziali riavvii e rilavorazioni in caso di parti difettose. Ci sono diversi aspetti del processo che, una volta migliorati, possono aiutare a prevenire false partenze. Sebbene nessuna soluzione possa pretendere di rendere la produzione additiva più sostenibile rispetto ai metodi di produzione tradizionali, attraverso una combinazione di tecnologie, in particolare associate all’uso dei gas atmosferici, è possibile garantire al processo risultati di qualità più affidabili e ripetibili. Una volta raggiunto questo obiettivo, i vantaggi della produzione additiva sono evidenti.

Tempo di stampa = consumo di energia

Il successo di qualsiasi processo di fabbricazione additiva può essere determinato dalle proprietà meccaniche di un prodotto finito. Quando queste proprietà sono al di sotto della media, lo spreco di materiale delle risorse e la rilavorazione sono normalmente i risultati. E quando sono necessari sprechi e rilavorazioni, viene consumata più energia di quella necessaria in modo ottimale.

Le proprietà di qualsiasi parte perfettamente stampata non dipendono solo fortemente dal processo di stampa stesso, ma dalle caratteristiche della materia prima. Ciò è particolarmente vero quando si utilizzano polveri metalliche nella fusione laser a letto di polvere (L-PBF), ad esempio. La qualità delle polveri metalliche utilizzate è di fondamentale importanza in quanto può influire sulle proprietà fisiche e chimiche del prodotto finito, tra cui resistenza alla trazione, fragilità, resistenza agli urti, tolleranza al calore e resistenza alla corrosione. Anche la qualità delle polveri gioca un ruolo fondamentale nella coerenza e nella ripetibilità della produzione.

È necessaria un’elevata sfericità delle particelle metalliche in modo che la polvere metallica scorra uniformemente e uniformemente all’interno della stampante e l’atomizzazione del gas è l’approccio più efficace alla produzione di polvere metallica grazie alle proprietà geometriche superiori ottenute. Richiede non solo una grande fornitura di gas inerti come argon e azoto, ma anche l’esperienza delle molecole di gas per aiutare i produttori a mettere a punto il processo di atomizzazione per migliorare ulteriormente le caratteristiche della polvere ed eliminare gli scarti. Inoltre, per proteggere la massa fusa durante l’atomizzazione, la ricopertura con argon liquido proteggerà la polvere metallica dall’ossidazione, riducendo gli scarti e la necessità di una costosa manutenzione del crogiolo. Quando si considerano queste varie applicazioni di atomizzazione del gas, è importante lavorare con un partner specializzato, come Linde, con un vasto know-how nelle soluzioni di fornitura di gas ad alta pressione.

Anche la scelta del gas e la modalità di alimentazione sono ingredienti cruciali per il successo del processo e possono influenzare il flusso di atomizzazione e le velocità di fusione, la pressione e il tempo complessivo del lotto, con ripercussioni sia sulla qualità che sulla produttività.

Una volta prodotte le polveri metalliche, è fondamentale mantenere la corretta atmosfera durante il loro stoccaggio per evitare l’umidità. Sebbene ciò sia meno importante quando le polveri vengono consegnate per la prima volta nella loro confezione ermeticamente sigillata, una volta aperta la polvere può essere a rischio di esposizione all’ossigeno che può invecchiare la polvere, riducendone la qualità o rendendola inutilizzabile. Linde ha sviluppato una soluzione innovativa e molto compatta per risolvere questa sfida di stoccaggio: l’armadio polvere ADDvance. L’armadio polvere funziona con un’unità di controllo e monitoraggio dell’umidità per misurare continuamente i livelli di umidità, innescando un flusso di gas di spurgo ad alto volume non appena le porte sono chiuse per rimuovere rapidamente l’umidità nell’aria. Quindi applica un flusso di gas inferiore per garantire un livello di umidità costantemente basso, garantendo il mantenimento della qualità delle polveri metalliche preziose e sensibili.

Oltre all’ottimizzazione dello stoccaggio delle polveri metalliche, i gas atmosferici svolgono un ruolo ancora più importante nel processo di stampa principale.

Mentre la produzione additiva può ottimizzare la produzione sostenibile delle parti stampate, garantendo una ripetibilità di alta qualità del processo e richiedendo una minore finitura post-stampa, l’atmosfera nella camera di stampa deve essere ottimale e riproducibile.

Sebbene l’atmosfera nella camera venga spurgata con gas inerti di elevata purezza come argon e azoto per liberarla dall’ossigeno, le impurità possono ancora rimanere presenti a causa di uno spurgo incompleto, tramite connessioni allentate o persino all’interno della polvere metallica stessa. Anche variazioni estremamente piccole nel contenuto di ossigeno possono compromettere le proprietà meccaniche o chimiche dei metalli sensibili all’ossigeno – come il titanio e le leghe di alluminio – e possono influenzare la composizione del prodotto finale con conseguenti caratteristiche fisiche negative come scolorimento e persino scarsa resistenza alla fatica.

Linde è impegnata nello sviluppo di una tecnologia pionieristica per superare queste impurità atmosferiche al fine di offrire ai produttori condizioni di stampa ottimali. Il risultato – ADDvance O2 precision – fornisce un’analisi continua dell’atmosfera del gas, rilevando i livelli di ossigeno con elevata precisione senza sensibilità incrociata. Riconoscendo concentrazioni di O2 a partire da 10 parti per milione (ppm), l’unità avvia automaticamente un processo di spurgo per mantenere l’atmosfera pura quanto necessario.

Linde è anche leader nella ricerca, nello sviluppo e nella fornitura di gas su misura realizzati su misura per il processo AM specifico del cliente e l’applicazione del progetto, come la sua miscela avanzata di argon-idrogeno, ADDvance Sinter250, per ottimizzare le condizioni atmosferiche nei forni di sinterizzazione e il suo più recente miscela di prova argon-elio per ottimizzare la produzione di parti complesse e reticolate durante L-PBF.

Il gioco finale del cambiamento climatico

In uno sforzo globale per contrastare il cambiamento climatico, mentre passiamo dai metodi di produzione convenzionali alla produzione additiva, dobbiamo anche passare da un’economia lineare a un’economia circolare. Sebbene i rifiuti derivanti dalla produzione additiva siano significativamente inferiori rispetto ai metodi di produzione sottrattiva, generano comunque alcuni rifiuti. Questo è ora affrontato da start-up innovative che sviluppano processi per la fusione e l’atomizzazione di rottami metallici in polveri metalliche adatte che possono essere riutilizzate. Si pensa che, in linea di principio, questi piccoli impianti di riciclaggio potrebbero essere distribuiti in tutto il mondo, situati in centri di produzione additiva per dare nuova vita ai rottami metallici come materia prima per la produzione additiva.

Sebbene possa essere una coincidenza che questi due principali temi di produzione siano emersi e siano diventati preoccupazioni chiave indipendentemente l’uno dall’altro, è chiaro che, data l’opportunità di fondersi, presentano una capacità significativa di rafforzare il potenziale reciproco. Poiché la domanda di prodotti più sostenibili continua a crescere, il panorama manifatturiero deve adattarsi. Poiché la produzione additiva diventa sempre più scalabile, più localizzata, efficiente in termini di risorse e circolare, non è impossibile per essa dare un contributo significativo all’agenda della sostenibilità in un futuro non troppo lontano.

*3dpbm ha approfondito il tema della sostenibilità nella produzione additiva nei suoi eBook annuali di AM Focus Sustainability, disponibili gratuitamente per la visualizzazione online o per il download in formato PDF. Fare clic per scaricare l’ eBook sulla sostenibilità di AM Focus 2020 e l’ eBook sulla sostenibilità di AM Focus 2021. Contattaci per partecipare al prossimo eBook sulla sostenibilità di AM Focus 2022.

[1] Bechmann; 2014; Cambiare il futuro della produzione additiva, Metal Powder Report; numero 69; pagine 37–40; e Reynder; 2014; Le stampanti 3D creano un progetto per il futuro del design e della produzione sostenibili; Il guardiano.
[2] Quinlan et al; 2017; Usi industriali e di consumo della produzione additiva: una discussione su capacità, traiettorie e sfide; J. Ind. Eco. 21 (S1), S15eS20
[3] Jamshidinia et al; 2015; Valutazione ambientale della produzione additiva nell’industria automobilistica; Giornale di produzione pulita; Elsevier
[4] Nyamekye; 2015; Analisi del consumo di energia e materie prime della fusione a letto di polvere – Caso di studio: lavorazione CNC e produzione additiva laser; Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, Finlandia