Visita all’AddMe Lab del Politecnico di Milano, dove prende forma il futuro della stampa 3D dei metalli

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I luoghi comuni li conosciamo. Rispetto ad altri paesi in Italia ci sono meno fondi per la ricerca, c’è meno coordinamento a livello nazionale ed è difficile emergere con nuove tecnologie. La visita presso l’AddMe Lab del Politecnico di Milano, dove la professoressa Bianca Maria Colosimo e il team di colleghi del Dipartimento di Meccanica lavorano ad alcuni degli aspetti più innovativi della stampa 3D dei metalli, li ha sfatati in parte. Ha anche confermato altri luoghi comuni dai connotati più positivi, tra cui quello che l’ingegno italiano riesce a sopperire ad alcune carenze a livello organizzativo e macroeconomico.

I progetti di ricerca del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano (o PoliMi) nel campo della stampa 3D dei metalli sono al pari di quelli portati avanti da università che godono di grande visibilità quali MIT, Fraunhofer ed ETH. Anzi, un aspetto in cui forse sono addirittura più avanti – qualcosa che tutti vorrebbero ma che ancora nessuno è riuscito adeguatamente a sviluppare – è l’utilizzo dei sistemi di analisi di big data nelle fasi di simulazione e monitoraggio del processo. Proprio questa è l’area di studio principale della professoressa Colosimo e del suo team, insieme a una vasta gamma di altri progetti focalizzati su hardware e applicazioni industriali della manifattura additiva. Qui di seguito vi raccontiamo quelli principali. Mettetevi comodi perché ce ne sono tanti.

Leadership nell’IA per i processi di AM

L’AddMe Lab ha accesso a tutte le principali tecnologie per la manifattura additiva dei metalli, quindi powder bed fusion (a laser e fascio di elettroni), sia sviluppate internamente che sistemi commerciali, directed energy deposition (sia con filo che polvere) e, presto, binder jetting grazie a un nuovo sistema in arrivo da ExOne e dalla neonata Desktop Metal. Altri sistemi basati su braccio robotico o sviluppati internamente lavorano sui materiali ceramici con processi di estrusione e derivati dal CIM (Ceramics Injection Molding).

Incontro Bianca Maria Colosimo nel suo ufficio. Potrebbe sorprendere, visto che la manifattura industriale è un ambiente prevalentemente maschile a livello globale, ma In Italia ci sono molte donne che lavorano in segmenti all’avanguardia della manifattura additiva, sia a livello accademico che industriale. Quello che forse stupisce maggiormente è il suo genuino entusiasmo, visto che si tende a pensare ad esperti accademici e ingegneri come persone fin troppo serie.

“L’obiettivo principale che ci poniamo, è quello di cercare di avere un approccio a tutto tondo, sul manufacturing – esordisce. Come Politecnico studiamo le problematiche che riguardano la progettazione, la scelta dei materiali, la simulazione, il monitoraggio e controllo in tempo reale del processo, in ottica di Industria 4.0. Il nostro gruppo in particolare è molto focalizzato su questi ultimi due temi, e su tutte le problematiche collegate. Il tema principale su cui stiamo investendo tanto è la sensorizzazione a bordo macchina, al fine di evitare e correggere i difetti di produzione in tempo reale.”

Un aspetto da tenere sotto controllo è la porosità del componente che viene stampato. Una volta che il componente è stato completato diventa difficile analizzarlo anche con i sistemi tomografici quindi l’ideale è accorgersene durante la fase di stampa. Ridurre l’instabilità del processo, e quindi il numero di pezzi difettosi, è una delle chiavi più importanti per ridurre i costi della stampa 3D in generale.

“Ci sono diversi livelli a cui possiamo operare,” prosegue la professoressa Colosimo, “un’idea è quella di collegare i parametri di processo direttamente alla “firma” del processo che si osserva con videocamere e sensori in tempo reale. Questa firma è a sua volta collegata alla qualità del prodotto finito. In sostanza, invece di fare tanti provini e misurarli, come si fa normalmente, scegliamo i parametri di processo che rendono la firma del processo stabile e simile a quella desiderata. Questo si può fare utilizzando i segnali che la macchina già mette a disposizione o aggiungendo altri sensori.”

Tutti i principali produttori di stampanti 3D industriali stanno sviluppando questi nuovi sistemi di process monitoring. Un loro limite, spiega la professoressa Colosimo, è che non hanno ancora integrato nel software i sistemi di analisi intelligente dei dati a disposizione. Il process monitoring commerciale che esiste oggi permette di raccogliere molte informazioni ma quando si tratta di prendere una decisione in base ai dati raccolti è ancora limitato. “Per esempio – spiega – si riesce a guardare la meltpool (il punto o pozza di fusione in cui il metallo diventa liquido) in ogni punto del layer ma non si è ancora in grado di analizzare questi dati in tempo reale per capire se sta succedendo qualcosa di anomalo.”

Un sistema DED che utilizza filo metallico, sviluppato dall’AddMe Lab e dai suoi partner su un braccio robotico commerciale. Viene usato per la ricerca su pezzi di grandi dimensioni e multi-materiale.

Prima di valutare e correggere eventuali imperfezioni, i sistemi di monitoraggio devono essere in grado di ridurre il numero di falsi allarmi. Per questo occorre avere delle strategie di analisi dei dati, che devono essere in tempo reale, veloci, snelle, e anche affidabili. “Questo tema richiede molta ricerca,” precisa la professoressa. “Bisogna infatti ridurre la distanza che c’è tra le diverse competenze necessarie per risolvere il problema tipico della manifattura 4.0: trarre vantaggio dall’enorme quantità di dati disponibili  per migliorare la produzione. Storicamente,  chi progetta e realizza le macchine non ha grande competenza di analisi di big data e machine learning. C’è quindi c’è un gap da colmare attraverso collaborazioni visto che si tratta di una tipologia di problema molto multidisciplinare,” spiega.

Affrontare queste sfide potrebbe davvero permettere una maggiore industrializzazione dell’AM. Le ricerche dell’AddMe prendono in esame moltissimi casi diversi. Per esempio, una hotspot o zona che rimane troppo calda che si traduce in problemi di geometria degenerata; oppure analizzare le il processo di fusione della polvere metallica rispetto all’intensità delle scintille per capire se viene applicata troppa o troppo poca energia e quindi è prevedibile avere porosità interna nel pezzo stampato. Altri studi riguardano l’analisi della microstruttura di un prodotto 3D. Questo potrebbe in futuro portare anche ad altre applicazioni molto interessanti come la possibilità di variare la microstruttura di diverse aree dello stesso pezzo in funzione delle sollecitazioni e quindi modificare localmente e digitalmente le proprietà meccaniche del materiale.

AddMe Lab, hardware on demand

Queste ricerche all’avanguardia sul software sono possibili grazie al grande lavoro di ricerca che viene fatto sull’hardware additivo. Il laboratorio dispone sia di sistemi commerciali come una Arcam A2 (EBM) e un sistema Renishaw AM 250, sia di diversi sistemi sviluppati internamente per condurre attività di ricerca e sviluppo più specifica sul processo e sui materiali.

Un sistema è stato sviluppato internamente dal gruppo della professoressa Previtali, esperta di processi laser nel Dipartimento di Meccanica, per studiare (e utilizzare) il process di directed energy deposition, con una deposition head posizionata su un braccio robotico ABB che permette di creare parti complesse anche grazie a un piano basculante. Altri sistemi sviluppati internamente, usano diversi approcci di fusione laser selettiva (SLM). Uno, battezzato Powerful, viene usato per studiare i materiali attraverso un processo SLM standard e un letto di polvere di dimensioni molto piccole, proprio per permettere di utilizzare quantità di polveri metalliche anche molto ridotte. Un altro, Penelope, integra funzionalità additive e sottrattive e viene usato per sviluppare un processo che permetta di correggere i difetti “in-situ”. Infine, c’è Efesto che viene usato per i materiali ceramici attraverso un’evoluzione dei processi CIM. In pratica i materiali ceramici mescolati con un binder vengono estrusi e deposti per poi essere sinterizzati in una fornace. La stampa 3D di altri materiali ceramici (cemento e argilla) e soprattutto i compositi a fibra continua vengono studiati attraverso un sistema basato su due braccia robotiche collaboranti.

Alla ricerca del futuro in Europa e in Italia

Il Politecnico di Milano – PoliMi – è un’università tecnica con oltre 43.000 studenti. In questo segmento è molto in alto nei ranking internazionali. È considerata la prima Università in Italia per ingegneria e tecnologia, la sesta in Europa (in una classifica che include anche istituti come Cambridge e Oxford), e la diciassettesima nel mondo. A livello di ranking generale l’istituto soffre un po’ per il rapporto tra studenti e docenti, che è di circa 1:33

Queste conoscenze decisamente all’avanguardia hanno permesso all’AddMe Lab di entrare a far parte di alcuni importanti progetti di ricerca, Italiani e europei. Il primo è il progetto AMATHO (https://www.amatho.org), finanziato dalla comunità europea all’interno del programma cleansky2, che prevede lo studio di nuove soluzioni di stampa per oggetti di grandi dimensioni In particolare, in questo progetto si studiano soluzioni innovative per la stampa della scatola per ingranaggi del convertiplano, un ibrido tra aereo ed elicottero sviluppato da Leonardo (società che far parte del gruppo Finmeccanica)

Un secondo progetto co-finanziato dalla Regione Lombardia vede la collaborazione di tantissime aziende interessate alle potenzialità dell’additive. Il progetto, battezzato Metal ADditivE for LOmbardy (MADE4LO), punta a sviluppare un nuovo modello di fabbrica basata sulla manifattura additiva, sui network e sui processi digitali. Lanciato con un budget di 6.6 milioni di dollari, vede tra i partecipanti, oltre a Politecnico di Milano e Università di Pavia, grandi aziende quali Tenova, BLM, e GF Machining Solutions e sei SME: TTM Laser, 3D-NT, GFM, Fubri, Co. Stamp, and Officine Meccaniche G. Lafranconi.

Infine, la previsione è quella di un numero crescente di finanziamenti che verranno dedicati all’additive nel nuovo programma Horizon Europe.  Di recente – conferma la prof.ssa Colosimo- c’è stata un’escalation. Oggi l’additive è dappertutto: è vissuto come una tecnologia su cui investire. La sfida più grande è il cambiamento di scala in termini di dimensione del mercato.”

AddMe Lab
Anche se i metalli restano il focus principale, l’AddMe Lab conduce ricerche anche sulla manifattura additive di altri materiali quali le ceramiche e i compositi.

L’AddMe Lab collabora anche con numerose altre università: ha progetti attivi con il gruppo di John Hart del MIT , con Georgia Tech con ETH, con la European Space Agency (ESA)e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) per lo studio delle potenzialità della tecnologia additiva per applicazioni spaziali.

Polimi fa anche parte di una rete con ETH, Chalmers, Delft e Aachen, nell’ambito di un progetto chiamato Idea League (http://idealeague.org), dove i temi della manifattura avanzata sono di interesse di tutti i partner. Sullo stesso tema sono in fase di avviamento collaborazioni con la Cina, che è sempre più forte e in particolare con la prestigiosissima Università di Tsinghua, che aprirà un Innovationhub in PoliMi. A dicembre poi partirà un nuovo master co-organizzato con Rina Consulting – CSM (Centro Sviluppo Materiali) – su Additive Manufacturing per materiali metallici.

Queste sono alcune delle cose principali che sono emerse durante l’incontro con Bianca Maria  Colosimo. Il futuro si preannuncia davvero intenso e siamo solo all’inizio. “Sono tutti lì, pronti. C’è una parte di scettici e una parte di ‘believer’”, conclude la professoressa. Occorre completare il passaggio a settori che inizino a macinare numeri ancora più importanti. Oggi rimane l’aerospazio e il biomedicale. La parte di ricerca è sempre molto attiva, perché è un processo interessante su cui c’è tantissimo da dire. E Da fare.”

AddMe Lab
Un pezzo stampato in puro rame, un’altra sfida vinta dagli ingegneri dell’AddMe Lab

Autore Davide Sher

Sono un giornalista professionista iscritto all'ODG dal 2002 e mi sono sempre occupato di comunicazione trade. Per 10 anni ho redatto una testata dedicata al mercato dei videogiochi e successivamente ho partecipato alla creazione del primo iPad magazine dedicato all'elettronica di consumo. Dal 2012, mi occupo esclusivamente di stampa 3D/manifattura additiva, che vedo come la più affascinante e reale delle tecnologie oggi agli albori ma che plasmeranno il nostro futuro. Ho fondato Replicatore.it nel 2013 e ho scritto come blogger per diversi siti internazionali. Nel 2016 ho fondato la mia società 3dpbm (www.3dpbm.com), con base a Londra, che offre servizi di supporto alle aziende che vogliono comunicare, sia in Italia che nel mondo, i loro prodotti legati alla manifattura additiva. Oggi pubblichiamo diverse testate internazionali tra cui 3D Printing Media Network (il nostro sito editoriale internazionale), 3D Printing Business Directory (la più grande directory al mondo di aziende legate alla stampa 3D), Replicatore.it, Replicador.es e 3D Printing Media Network Chinese Version. Inoltre sono Senior Analyst di SmarTech Analysis, una delle più importanti realtà al mondo attive nella rilevazione di dati e previsioni di mercato relative ai vari segmenti verticali dell'industria della manifattura additiva.

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