Stampa 3D che sei nei cieli

 La produzione rapida vola alto. E non solo metaforicamente. I pezzi costruiti con la stampa 3D sono sempre più numerosi nel cielo e nello spazio. E l’Italia è in prima linea con uno stabilimento di 2400 metri quadrati interamente dedicato alla manifattura additiva di componenti per l’aeronautica. È la fabbrica di Avio Aero di Cameri dove stanno producendo a ritmo serrato le pale per i rotori dei motori aeronautici di nuova generazione. Siamo andati a visitarla.

Quando si parla di stampa 3D il futuro è presente o appena dietro l’angolo. Lo è quando investite un migliaio di euro in una stampante e con un po’ di impegno di modellazione e pochi soldi di materiale vi trovate tra le mani la manopola mancante della vostra radio d’epoca o un braccialetto personalizzato. Lo sarà tra breve quando in un volo di linea darete la solita occhiata distratta ai possenti motori pensando a cosa succederebbe se si fermassero in volo, senza magari sapere che le pale dei loro rotori potrebbero essere state stampate in 3D usando macchine che fondono polveri metalliche. E il bello è che queste pale di alluminuro di titanio (TiAl), il nome corretto della lega che va per la maggiore oggi nel mondo dell’aeronautica, sono già in avanzata fase di testing, pesano meno (e negli aerei meno peso vuol dire consumare meno carburante a tutto vantaggio dell’ambiente), sono più veloci da produrre e hanno caratteristiche meccaniche uguali a quelle costruite con i sistemi tradizionali di fusione. E quindi altrettanto sicure.

L’Italia in prima linea

Nel suo stabilimento di Peebles, Ohio, General Electric sta verificando le pale realizzate con questa tecnologia nei motori GEnx dei Boeing 787 Dreamliner e 747-8 e conta di usarle anche all’interno dei motori GE9x che faranno volare il nuovissimo Boeing 777-X. Un’innovazione epocale che vede protagonista lo stabilimento di Cameri di Avio Aero, in provincia di Novara, inaugurato da un paio d’anni e interamente dedicato alla produzione additiva. È qui che vengono stampate in 3D con un procedimento brevettato le pale che stanno testando negli Stati Uniti e che potrebbero rappresentare il cuore dei prossimi rotori di General Electric. Quella di Cameri non è una manifattura come tutte le altre, perché nei suoi 2.400 metri quadrati di superficie non c’è il rumore, il disordine e l’aria pesante tipica di una fonderia in cui di solito queste pale vengono realizzate. A Cameri la produzione avviene nel silenzio di una decina di sistemi di stampa 3D che funzionano 24 ore su 24, dando corpo ai modelli software in un ordine meticoloso da laboratorio scientifico e governate da alcuni esperti addetti che caricano le polveri, fanno partire le macchine e, qualche ora dopo, prelevano il pezzo pronto.

Visitiamo lo stabilimento accompagnati da Alessandro De Gioia. È il responsabile della produzione a Cameri e dall’alto dei suoi 35 anni di età è uno degli anziani in questa fabbrica dove stanno frullando a pieno ritmo due macchine Eosint, M270 e M280, di EOS con tecnologia DMLM (Direct Metal Laser Melting) che fondono i metalli con il calore del laser e nove sistemi  A2X di Arcam che fanno lo stesso lavoro agendo sulle polveri con un fascio di elettroni. Sono solo le avanguardie di questo giovane stabilimento che è stato pensato per accogliere sessanta sistemi di stampa 3D. Altre due stampanti 3D sono state ordinate e arriveranno entro la fine dell’anno, in tempo per inaugurare un altro tassello che aumenterà ulteriormente la produttività di Cameri: gli atomizzatori per produrre internamente le polveri di alluminuro di titanio necessarie per la stampa dei componenti aeronautici.

Un materiale miracoloso

«Queste macchine – spiega De Gioia indicando la batteria delle Arcam A2X che troneggia nel reparto per la produzione EBM di Avio Aero – stanno stampando pale in alluminuro di titanio con un procedimento che abbiamo brevettato. In aeronautica l’impiego di questo materiale è una scelta quasi obbligata, perché le sue caratteristiche di leggerezza e di resistenza meccanica sono eccezionali. Le leghe di TiAl possono essere utilizzate, ad esempio, per le pale degli ultimi stadi rotorici delle turbine di bassa pressione dei grandi motori aeronautici, dove si superano abbondantemente i 700 gradi centigradi di calore. Queste pale hanno un peso specifico che è pari alla metà di quelle costruite con le tradizionali leghe a base di nichel, con un vantaggio indotto anche sui dischi e sulle carcasse di contenimento della turbina. Questo significa che, impiegando questo materiale, il rotore di una turbina di bassa pressione del motore peserà il 20% in meno e tutta la turbina peserà circa il 6% in meno. Un risparmio di peso che si traduce in una riduzione importante di emissioni in un contesto legislativo in cui i requisiti sono sempre più stringenti». Il problema è che le leghe di TiAl sono difficilmente trattabili con le tecnologie tradizionali, come la fusione cera persa in gravità o in centrifuga, e sono pochissime le aziende sul mercato che hanno la capacità di farlo. Inoltre, i processi tradizionali hanno rese molto basse e quindi costi comunque elevati.

Il nuovo che avanza

«Nel 2007 – prosegue De Gioia – abbiamo individuato nella tecnologia EBM di Arcam la possibilità di realizzare pale in TiAl  stampandole con tecnologia additiva. Siamo partiti da una loro macchina standard usata per applicazioni biomedicali (il modello S12) modificandola in modo che potesse reggere le alte temperature necessarie per il preriscaldamento del letto di polvere di TiAl. Un team interfunzionale composto da esperti di Avio Aero e di Arcam ha lavorato per mettere a punto i 150 parametri che governano la fusione». Il risultato? Le parti ottenute con tecnologia additiva EBM hanno caratteristiche meccaniche nettamente superiori a quelle ottenute in fonderia, minori micro imperfezioni e una resa di processo che rende competitiva la stampa 3D di queste pale anche per la produzione di serie.

Il futuro in produzione

La strada che  porta all’impiego effettivo delle pale prodotte con stampa additiva nello stabilimento di Cameri non è  una passeggiata. I test per l’utilizzo sui motori di nuova generazione sono iniziati l’anno scorso, attraverso una prova motore di banco, uno degli step finali e maggiormente significativi per la validazione del componente. I risultati sono  decisamente incoraggianti: le pale realizzate tramite il procedimento additivo sono più facilmente lavorabili di quelle ottenute con il processo di fusione, presentano una minore difettosità durante l’asportazione dell’eccedenza costruttiva di materiale metallico ed evidenziano  notevoli vantaggi nei processi di lavorazione avendo una forma tendenzialmente più vicina a quella di una pala finita rispetto a quelle prodotte con casting tradizionale.

Due tecnologie complementari

Nello stabilimento di Cameri di Avio Aero vengono usate due tecnologie per la stampa 3D: EBM (Electron Beam Melting) e DMLM (Direct Metal Laser Melting). Entrambe usano il calore per fondere polveri metalliche e costruire oggetti tridimensionali strato su strato, ma il procedimento è completamente diverso così come sono diverse le finiture dei prodotti stampati. Nel caso dell’EBM, una tecnologia proprietaria messa a punto dalla svedese Arcam che attualmente è l’unica a vendere stampanti 3D di questo genere, la sorgente di calore è costituita da un fascio di elettroni che ha il compito di preriscaldare le polveri e successivamente di fonderle nel corso di un processo che avviene sottovuoto. Nel caso della DMLM, tecnologia più matura offerta da diversi produttori  è il calore di un laser a fondere le polveri e la stampa avviene in ambiente semplicemente protetto e non sottovuoto. Dal punto di vista delle proprietà meccaniche del materiale entrambe le tecnologie consentono di produrre oggetti equivalenti a quelli ottenuti con la tradizionale forgiatura, con in più una difettosità estremamente bassa e un’ottima omogeneità. Si differenziano soprattutto per il fatto che la fusione mediante laser produce oggetti con una rugosità molto bassa e quindi ottima finitura superficiale ma in tempi lunghi. La fusione mediante elettroni, al contrario è veloce e caratterizzata da un’elevata produttività. Il rovescio della medaglia è che sono necessarie più lavorazioni di finitura. In genere viene preferita la prima per costruire pezzi complessi, magari con parti interne difficili o impossibili da rifinire. La seconda semplicemente quando si vogliono trattare leghe molto reattive e quando la produttività prevale sulla finitura superficiale. Per la DMLM ci sono varie leghe disponibili, da quelle con nichel e cobalto a quelle di alluminio. L’EBM ha un portfolio di materiali più limitato, ma ha dalla sua la forza del TiAl, un materiale intermetallico formato da titanio e alluminio che è particolarmente adatto per l’impiego in aeronautica.

Guardare sempre al futuro

La vera innovazione fa la differenza. Lo stabilimento di Cameri è la fabbrica additiva di Avio Aero, società controllata dalla GE Aviation di General Electric. Una briciola di un colosso, insomma, quanto a dimensioni. Ma con le carte giuste per sedersi al tavolo principale del gruppo, con il ruolo di centro di eccellenza, quando si parla di trasmissioni meccaniche, di turbine a bassa pressione e della fabbricazione additiva di pale aeronautiche. Lo stabilimento di Cameri è una delle più grandi realtà al mondo interamente dedicate alla produzione additiva, ma da dove, o meglio da chi, è partito il percorso che ha portato a produrre pale di motori con la stampa 3D con la tecnologia a fascio elettroni? Dal team di ingegneria di Avio Aero insieme a  Paolo Gennaro, un imprenditore che si è occupato di prototipazione rapida sin dai suoi primi passi e che ha fondato nel 2004 la Protocast. Una piccolissima realtà locale, con quattro o cinque dipendenti specializzati inizialmente nella stampa 3D di termoplastici. Gennaro ha intuito che la vera forza nel settore aeronautico era rappresentata dall’impiego del TiAl con le stampanti 3D della società svedese Arcam, l’unica al mondo che utilizza la tecnologia EBM di fusione delle polveri con un fascio di elettroni e non con il consueto laser. Ha iniziato a collaborare con Avio Aero nell’ambito di una serie di progetti finanziati dalla Comunità Europea che sono sfociati in un accordo trilaterale tra Arcam, Protocast e Avio Aero. È andata bene e Avio Aero ha acquisito  la Protocast. E Paolo Gennaro, il precursore, è ancora in questa società: è il direttore vendite per l’additive manufacturing e guarda al futuro.

C’è Avio ed Avio Aero

All’inizio si chiamava Avio. E si chiama ancora così, ma oggi è una società con una proprietà e una attività completamente separata da Avio Aero. Fondata nel 1908 da una Fiat che agli inizi del secolo scorso aveva iniziato ad estendere le sue attività dal settore automobilistico a quello aeronautico e navale, nell’agosto 2006 diviene di proprietà del fondo inglese di private equity Cinven Limited per l’85%, e di una società appartenente a Finmeccanica per il restante 15%. Nell’agosto del 2013 la divisione aeronautica di Avio è stata acquisita da General Electric per 3,3 miliardi di euro ed è diventata l’attuale Avio Aero, il braccio di GE Aviation che opera nella progettazione, produzione e manutenzione di componenti e sistemi per l’aeronautica civile e militare. In particolare, i moduli turbomacchine sono realizzati negli stabilimenti di Rivalta di Torino, Torino, Cameri (Novara), Pomigliano d’Arco (Napoli) e Brindisi. Dopo la progettazione, Avio Aero si occupa delle lavorazioni meccaniche, dell’assemblaggio e dei test dei prodotti prima di spedirli ai propri clienti internazionali.  Avio Aero nel mondo conta circa 4600 dipendenti (di cui circa 4000 in Italia) e, oltre agli stabilimenti italiani, ha anche un importante impianto produttivo in Polonia. Avio invece, è rimasta ai vecchi proprietari ed è oggi concentrata unicamente sul settore spaziale. Sono suoi, ad esempio, i motori a propulsione solida e la turbopompa per la propulsione liquida del lanciatore europeo Ariane 5.

TiAL, un vecchietto di successo

Le prime leghe basate sull’alluminuro di titanio, un composto chimico intermetallico tra titanio e alluminio, sono state sviluppate una quarantina di anni fa. Soltanto negli ultimi anni però questo materiale viene impiegato massicciamente, soprattutto in campo automobilistico e aeronautico. Sono state formulate tre leghe di TiAl denominate γ-TiAl, α2-Ti3Al e TiAl3, ma è la prima ad aver trovato più applicazione in campo aeronautico per le sue ottime proprietà meccaniche, per la leggerezza e per la sua capacità di resistere all’ossidazione e alla corrosione a temperature superiori a 600°C. Ha tutte le carte in regola per sostituire le superleghe a base di nichel (che hanno una densità quasi doppia rispetto a leghe a base di TiAl.) nei motori a turbina degli aerei e in particolare nelle pale delle turbine a bassa pressione dei motori e nelle pale dei compressori ad alta pressione. Tradizionalmente, queste parti sono fatte con superleghe a base di nichel, che hanno una densità quasi doppia rispetto a leghe a base di TiAl. Il γ-TiAl è una delle leghe utilizzate da Avio Aero.

 

 

 

Moreno Soppelsa

Moreno Soppelsa è un giornalista e fotografo con competenze nella diffusione di contenuti nei nuovi e vecchi canali, dalla carta stampata ai social media, dai siti Web alle App.

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