Il raggio laser rivoluziona la produzione industriale

08/01/2013

Parlano niente meno che di “rivoluzione” nella lavorazione industriale gli esperti che si occupano di processi di produzione additiva mediante laser. Grazie a queste tecnologie sarà infatti possibile gestire complessità e personalizzazioni senza alcun incremento dei costi. Gli sviluppi più recenti e le evoluzioni future in questo campo saranno in vetrina al salone internazionale LASER World of PHOTONICS 2013, dal 13 al 16 maggio, a Monaco di Baviera.

Finora nella produzione industriale valeva un principio inderogabile: tanto più complesso è un pezzo e tanto più ridotto il lotto di produzione, quanto più costoso sarà il processo di produzione e, quindi, il prezzo finale del pezzo. Ora, l’universalità di questa regola viene messa in discussione dalla produzione additiva mediante laser: le nuove parole chiave sono “complessità gratuita” e “personalizzazione gratuita”. In pratica, i costi di un componente dipendono ora solo dalla quantità di materiale effettivamente necessaria. Poiché i sistemi di produzione realizzano i pezzi direttamente dalle geometrie CAD, non sono più necessari gli utensili tradizionali, la cui funzione viene rimpiazzata sempre più spesso dal fascio laser. Si abbattono così costi e tempi per la produzione di utensili e, inoltre, i costruttori godono di una libertà senza precedenti in fase di produzione. Gli effetti di questa evoluzione si estendono ben oltre la produzione in senso stretto, dando vita a vere e proprie “catene di processo fotoniche”.
Come sottolinea il Dott. Ing. Wilhelm Meiners del Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), “la produzione generativa consente di realizzare praticamente qualsiasi tipo di geometria, senza limiti di complessità, anche con strutture interne. In questo modo i componenti possono essere ottimizzati a livello funzionale, senza più la necessità di tenere conto delle restrizioni dei processi di produzione e lavorazione tradizionali.” L’esperto dell’istituto tedesco di tecnologia laser presiederà, insieme a Maximilian Meixlsperger di BMW Group, un convegno dedicato alla presentazione di casi applicativi su questo tema. Il convegno sarà uno dei tanti appuntamenti del World of Photonics Congress, che si svolgerà in parallelo al salone espositivo nell’adiacente Centro Congressi Internazionale ICM. Mostra e convegno festeggeranno quest’anno il loro quarantesimo anniversario.

Produzione “strato per strato” con materiali standard
La caratteristica comune a tutti i processi additivi è che ogni componente viene realizzato sovrapponendo numerosi strati con uno spessore di pochi micrometri ciascuno. Nel classico processo di stereolitografia, il fascio laser polimerizza una plastica fotoindurente strato dopo strato. Questo processo di sinterizzazione laser “cuoce” polveri di plastica, ceramica o metallo, formando così agglomerati solidi. La tecnica più promettente e innovativa sembra però essere la fusione selettiva al laser (SLM – Selective Laser Melting), un processo di fusione e addizione stratificata di polveri metalliche, ceramiche o plastiche. Per gli interventi di riparazione è invece indicata la tecnologia di deposizione metallica al laser (LMD – Laser Metal Deposition). Spiega ancora Meiners: “Il vantaggio principale della tecnologia SLM rispetto ad altri processi generativi è l’utilizzo di materiali metallici standard, come ad esempio l’alluminio AlSi10Mg per le leghe da fusione o il titanio TiAl6V4 per gli impianti medicali.” In seguito alla fusione, il pezzo raggiunge praticamente al 100 percento la stessa densità e stabilità del materiale di partenza, diversamente da quanto avviene con la “cottura” delle microsfere di materiale nel processo di sinterizzazione. In questo modo, specifica Meiners, “le proprietà meccaniche del pezzo realizzato con SLM sono conformi alle specifiche del materiale di origine.”

Costi ridotti o produzione su misura: evoluzioni nella tecnica medicale
Uno dei primi campi di applicazione è l’odontotecnica, con un numero crescente di dentisti che scelgono di produrre le parti metalliche per corone e ponti con la tecnologia SLM. La riduzione dei costi di produzione viene quantificata in un buon 50 percento. Agli odontotecnici resta solo il compito di provvedere manualmente al rivestimento finale. La produzione in Germania e in altri Paesi sviluppati torna così a essere competitiva con i mercati che beneficiano di un costo del lavoro più basso. Inoltre, i tempi di produzione si accorciano notevolmente, perché la produzione di corone e ponti può essere svolta di notte in maniera completamente automatizzata. Se in futuro si riuscirà a scannerizzare direttamente la dentatura del paziente, si potranno eliminare anche tutti i calchi prelevati manualmente, con un ulteriore risparmio di tempo. I processi generativi portano grandi sviluppi anche nella tecnica medicale, dove diventa sempre più facile realizzare impianti su misura per ciascun paziente o maschere di foratura personalizzate per gli interventi in artroscopia alle ginocchia.

Drastica riduzione di tempi e consumi di materiale
I processi appena illustrati offrono notevoli vantaggi anche in molte applicazioni industriali. Un esempio significativo di riduzione di tempi, costi e consumo di materiale viene dall’industria aeronautica con la produzione dei cosiddetti blisk, rotori a palette integrate ottenuti per fusione in un unico assieme o lavorati da un unico pezzo di metallo, invece di saldare le palette una ad una sul disco. Il tradizionale processo di fresatura delle palette mediante lavorazione ad asportazione da un blocco di metallo richiede molto tempo e comporta un enorme dispendio di materiale. L’istituto Fraunhofer è riuscito a produrre blisk con tecniche laser ottenendo una riduzione del consumo di materiale del 60 percento e accorciando i tempi di produzione di un terzo circa.

Grandi benefici per l’industria aerospaziale e automobilistica
La pressoché totale assenza di vincoli geometrici risulta particolarmente vantaggiosa per l’industria aerospaziale e automobilistica nell’ottica della realizzazione di prodotti ecologici. È infatti possibile sfruttare tutte le possibilità geometriche al fine di ridurre il peso dei componenti. Per alcune parti specifiche di aerei è stato individuato un potenziale di risparmio del 60 percento. Il mozzo della ruota di un’automobile con geometria ottimizzata può beneficiare di una riduzione del peso fino al 40 percento. Gli stessi due settori possono sfruttare i processi additivi anche per ridurre i costi di produzione di lotti più piccoli. Gli aerei non sono mai stati fabbricati in grandi serie, ma ormai anche gli acquirenti di automobili chiedono una personalizzazione sempre più spinta. Le case costruttrici possono ora rispondere a questa domanda, realizzando configurazioni e allestimenti personalizzati in piccole serie.

Produzione di ricambi “on demand” per eliminare il magazzino
Le tecnologie laser aprono nuove prospettive anche nell’ambito della manutenzione e delle riparazioni. I blisk citati in precedenza, ad esempio, possono essere riparati con costi contenuti mediante l’applicazione additiva di materiale. In molti casi si potrebbe addirittura eliminare completamente il magazzino di parti di ricambio. Nel caso ideale, infatti, un’officina potrebbe produrre il ricambio necessario direttamente in casa quando serve, semplicemente avendo a disposizione il modello CAD. Magazzini e logistica diventerebbero così superflui. Per promuovere ulteriormente la diffusione dei processi laser additivi, le aziende stanno ottimizzando questa tecnologia sotto diversi aspetti Da un lato aumenta il numero di impianti con i quali è possibile produrre anche parti voluminose con dimensioni superiori ai 500 mm, come conferma Harald Krauss dell’istituto di macchine utensili e gestione aziendale del Politecnico di Monaco di Baviera. L’ambito applicativo si estende anche nella direzione opposta. Con la tecnica di Selective Laser Micro Melting sono già stati realizzati a livello sperimentale componenti con filamenti di diametro inferiore a 30 micrometri, secondo quanto comunicato da Matthias Gieseke del Laser Zentrum Hannover (LZH). Si tratta in questo caso di sviluppi interessanti per microimpianti realizzati su misura per ciascun paziente. Si sta infine lavorando alla riduzione del costo unitario per pezzo mediante l’utilizzo di sorgenti laser più economiche e impianti più veloci.

In futuro il consumatore produrrà da sé
All’orizzonte spuntano anche nuovi modelli di business: il consumatore finale avrà la possibilità di disegnare e progettare un prodotto e inviare il modello CAD a un service di produzione per realizzare un esemplare unico o una piccola serie. Questo tipo di offerta è già disponibile per le cover dei cellulari, ad esempio. Basta avere un apposito programma CAD, semplice e intuitivo anche per utenti non tecnici. Questi programmi devono offrire la massima libertà creativa agli utilizzatori ma, al tempo stesso, tenere conto di numerosi vincoli tecnici e costruttivi, affinché le parti realizzate siano sufficientemente resistenti, oppure non violino i diritti d’autore di altre aziende.