La produzione additiva (AM, Additive Manufacturing) risale agli anni ottanta quando il primo software di grafica digitale è arrivato sul mercato rendendo possibile la creazione di modelli 3D sul computer. Scienziati e inventori hanno trovato un modo per convertire i modelli in realtà, con la nascita della stampa 3D. La soluzione è rimasta la stessa per quasi 40 anni: un oggetto viene costruito strato dopo strato, utilizzando un materiale fuso.

Per molti anni, la stampa 3D era principalmente un modo rapido per produrre prototipi in polimero. Negli ultimi due decenni, invece, diversi processi di produzione additiva basati su metalli sono stati sviluppati e resi ampiamente disponibili per la produzione di componenti in grandi volumi.

La produzione additiva offre molti vantaggi esclusivi, una libertà di progettazione senza pari, tempi di consegna brevi dalla progettazione al pezzo finito e possibilità di ridurre al minimo lo spreco di materiale. Ora, è possibile fabbricare componenti che fino a pochi anni prima non sarebbero stati realizzabili, secondo standard elevati utilizzando un'ampia gamma di polveri metalliche.

Incremento della domanda di qualità

Il passaggio alla produzione di componenti pronti all'uso, tuttavia, presenta nuove sfide al settore della produzione additiva, sostiene Todd Palmer, professore di scienze ingegneristiche, meccanica e scienza di materiali ed ingegneria alla Pennsylvania State University negli Stati Uniti.

"Il passaggio dalla prototipazione alla produzione incrementa la domanda di qualità e le richieste di produzione di componenti in in termini elevati", afferma Palmer. "È una sfida a realizzare un oggetto con lo stesso processo ripetutamente. Con il processo AM e la complessità della metodologia di costruzione strato dopo strato, le finestre di elaborazione diventeranno più piccole di quelle utilizzate nei processi di lavorazione più tradizionali. Le finestre più piccole e le condizioni di ciclo termico più rapido creeranno problemi significativi per la qualità, soprattutto perché i volumi dei prodotti continuano ad aumentare".

Per ottenere un componente della stessa qualità come nella produzione sottrattiva tradizionale, è necessario un trattamento termico post-processo, indipendentemente dal metodo di produzione additiva.

"L'esigenza di un trattamento termico è principalmente correlata al materiale e le leghe utilizzate nella produzione additiva metallica richiedono un tipo di trattamento termico post-processo", dice Palmer. "Se non viene usato, il materiale non ha modo di raggiungere la microstruttura e le proprietà desiderate".

Possibilità di ripetibilità con trattamento termico

"In termini di qualità, il ruolo del trattamento termico può essere legato alla ripetibilità del processo e alla minore dispersione dei dati", afferma Palmer. "Le gamme di proprietà ristrette attraggono i designer, poiché il loro livello di certezza è aumentato e i fattori di sicurezza necessari per le proprietà dei materiali possono essere ridotti con maggiore sicurezza".

La ripetibilità di componenti di alta qualità è essenziale se si utilizzerà la produzione additiva per realizzare componenti in grandi volumi e di dimensioni maggiori, afferma. "La produzione additiva è stata inizialmente sviluppata come strumento di prototipazione e per componenti personalizzati in volume limitato. La produzione di massa è ancora agli albori. Sarà una sfida mantenere un livello di qualità elevato".

Palmer afferma che un'ingente mole di lavoro è dedicata al rilevamento e al monitoraggio dei processi, oltre allo sviluppo di strumenti per l'identificazione dei difetti che si presentano. Tuttavia, per l'uso più diffuso della produzione additiva, afferma che è necessario prestare maggiore attenzione alla ricerca sui materiali.

"I materiali dovrebbero essere più all'avanguardia di quanto siano", dice. "Oggi nella produzione additiva si utilizzano le stesse leghe delle lavorazioni tradizionali. Il problema è che fondiamo queste leghe con il laser e ci aspettiamo che si comportino allo stesso modo. Non è così. Nel processo additivo si producono simultaneamente il materiale e il componente. Ciò crea una relazione più simbiotica tra il design, la lavorazione, la struttura e le proprietà dei materiali risultanti rispetto ai sistemi più tradizionali".

Palmer sostiene che la via da seguire prevede la definizione di approcci di progettazione integrati che permettano ai designer di considerare sia i materiali che i parametri di lavorazione come variabili, regolabili per una progettazione ottimale dei componenti.