AddMe.Lab è il laboratorio di Additive Manufacturing nato a fine 2014 nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, grazie a fondi di autofinanziamento del Dipartimento e dei gruppi di ricerca coinvolti, al supporto di alcune industrie private (BLM Group, Marposs Italia, MasperoTech, Sapio, Titalia), e con il contributo di Regione Lombardia.

AddMe.Lab nasce con l’idea di stimolare la generazione di idee grazie alla collaborazione dei diversi gruppi di ricerca interessati all’Additive Manufacturing all’interno del Dipartimento (dalla progettazione del prodotto, ai materiali, alle tecnologie di processo) con gli studenti, i colleghi, il tessuto industriale e i professionisti del settore, per creare un centro di sperimentazione, studio e generazione di nuovi concept per la fabbricazione additiva, con focus principale su componenti ad alte prestazioni funzionali, principalmente in materiale metallico, per applicazioni in diversi settori industriali (e.g., meccanica, biomedicale, aerospazio, oil & gas, design industriale). L’obiettivo è quello di mettere a sistema una fitta e ampia rete di conoscenze, competenze e capacità sperimentali, grazie anche alla disponibilità delle competenze e delle attrezzature già presenti all’interno dei laboratori del Dipartimento di Meccanica.

La fabbricazione additiva dei materiali metallici, ceramici e compositi

La fabbricazione additiva si riferisce a tutte le tecnologie che consentono di ottenere prodotti di geometria complessa e con elevate prestazioni funzionali grazie alla deposizione successiva e quindi “additiva” di strati di materiale, al contrario della fabbricazione sottrattiva che riguarda le tradizionali lavorazioni alle macchine utensili. Gli specifici processi adatti ai materiali metallici, ceramici e compositi sono molti, principalmente legati alla deposizione a letto di polveri e alla deposizione diretta.

I processi di deposizione a letto di polvere si basano sulla fusione localizzata di strati successivi di polvere mediante un fascio laser oppure di elettroni, in modo da creare un volume tridimensionale. Il processo viene svolto all’interno di una camera di dimensioni relativamente contenute in atmosfera controllata con immissione di gas inerte oppure sotto vuoto, nel caso di un fascio d’elettroni come sorgente d’energia.

I processi di deposizione diretta prendono origine da tecniche relativamente consolidate per produrre rivestimenti superficiali, ma sono adesso in grado di realizzare oggetti tridimensionali con spessori rilevanti, pareti estese o volumi pieni sfruttando la fusione di polvere metallica oppure di un filo metallico attraverso un fascio laser focalizzato o un fascio di elettroni. Molte delle applicazioni basate su deposizione diretta sono adatte a sviluppare oggetti di grandi dimensioni e multi-materiale, e ben si prestano a integrarsi con altri processi (ad esempio per asportazione) in soluzioni “ibride”.

Accanto a queste tecnologie, si stanno sviluppando ulteriori soluzioni con tecnologie Binder Jetting o Extrusion Based AM che utilizzano leganti polimerici insieme a polvere metallica o ceramica per ottenere oggetti “verdi” anche con polveri difficilmente processabili mediante altre tecniche. I prodotti così ottenuti vengono successivamente sottoposti a trattamenti di debinding e sintering al fine di ottenere componenti a piena densità. Il principale obiettivo di questi processi “alternativi” è la stampa di materiali difficili e/o la riduzione del costo del prodotto stampato.

I processi e i sistemi di Add.Me Lab

Tra i principali benefici offerti dalle tecnologie additive si elencano: la maggiore libertà di design rispetto ai processi tradizionali; l’alleggerimento delle strutture reso possibile dall’uso di strutture trabecolari e dall’uso di parti a sezione variabile; la possibilità di adottare soluzioni “bio-inspired”, spesso adatte a protesi e applicazioni biomedicali; la possibilità di implementare canali interni a geometria complessa per migliorare l’efficienza termica o di ridurre il numero di componenti e quindi semplificare o eliminare l’assemblaggio; la capacità di fabbricazione net-shape, con minimo scarto di materiale rispetto alle lavorazioni sottrattive; la produzione senza la necessità di stampi o altre attrezzature; i cicli di produzione (dal design alla parte finita) molto rapidi, ove la complessità geometrica influenza in misura marginale i tempi e i costi di fabbricazione. Le tecnologie additive consentono quindi personalizzazione e sostenibilità, attraverso il lightweight design e la riduzione del numero di componenti.

Il laboratorio AddMe.Lab nasce nel 2014 con un primo sistema di fusione selettiva laser a letto di polvere, Renishaw AM250. In breve tempo, lo stimolo verso nuove attività di ricerca, la collaborazione con ulteriori aziende e centri di ricerca ha prodotto come effetto l’ampliarsi dei campi di interesse e l’acquisizione di ulteriori attrezzature, anche attraverso iniziative interdipartimentali.

Attualmente sono presenti diversi sistemi di fusione laser a letto di polvere (Laser Powder Bed Fusion). I sistemi Renishaw AM250 e Trumpf TruPrint 3000 rappresentano le soluzioni industriali allo stato dell’arte che incorporano, rispettivamente, laser in fibra a modalità impulsata e continua. La Renishaw AM250 è dotata di un laser da 200 W e un volume di lavoro 250x250x300 mm3. La macchina può operare anche con un sistema di riduzione della camera di lavoro in grado di lavorare con quantità di polvere molto ridotte, anche di materiali non standard. La Trumpf TruPrint 3000 è dotata di laser da 400 W e un volume di lavoro cilindrico con 300 mm di diametro e 400 mm di profondità e di un sistema di gestione polveri avanzato. Oltre ai sistemi industriali, sono stati sviluppati diversi sistemi prototipali brevettati in grado di eseguire produzione di campioni multi-materiale, preriscaldo ad elevata temperature, e con sistemi avanzati di monitoraggio in-linea e rimozione dei difetti. Tra questi, il nuovo sistema “Penelope” consente l’identificazione in tempo reale di difetti con tecniche di big-data analytics e machine learning, con rimozione in-situ e in-line del difetto individuato.

Grazie al finanziamento ottenuto come “Dipartimento di Eccellenza” LIS4.0, il Dipartimento ha appena ampliato il parco macchine con un ulteriore sistema laser a letto di polvere di 3D New Technologies. Questo sistema è completamente “aperto”, altamente sensorizzato ed è in grado di raggiungere temperature di preriscaldo del letto di polvere molto elevate. Con questo sistema si studieranno nuove soluzioni per la stampa di materiali difficili a geometria complessa, anche grazie all’integrazione del flusso di informazioni (immagini, video, segnali) che affiancano in tempo reale il processo di stampa, per identificare e prevedere l’insorgenza dei difetti e studiare soluzioni di controllo in anello chiuso.

Il laboratorio è anche provvisto di un sistema di fusione selettiva a fascio di elettroni (Electron Beam Melting) Arcam A2, acquisito nell’ambito della collaborazione tra il Dipartimento di Meccanica, il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali e il Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”. Il sistema Arcam A2 consente un’ampia flessibilità relativamente alla temperatura di pre-riscaldo (fino a 1200 °C circa), con un volume di 210 x 210 x 350 mm3 e una potenza massima del fascio d’elettroni di 3500 W. L’elevata velocità di scansione (fino a 8000 m/s) garantisce un’elevata produttività, mentre la fase di pre-riscaldo ad alte temperature, con conseguente pre-sinterizzazione della polvere, permette di impiegare materiali (e.g., leghe inter-metalliche con comportamento fragile) difficilmente processabili con altre tecnologie,  sfruttando in modo efficiente l’intero volume di lavoro.

Il sistema BLM ADDITUBE è costituito da un’unità di deposizione in cui la testa di deposizione è movimentata da un robot antropomorfo mentre il pezzo in costruzione può essere alloggiato su una tavola fissa o su una tavola rotante e basculante. La testa di deposizione KUKA Reis dotata di ugello coassiale per l’adduzione della polvere è anche munita di pirometro per il controllo della temperatura e di sistema di visione coassiale per il monitoraggio della pozza fusa. Completa il sistema un adduttore di polvere GTV GmbH a due cilindri per la realizzazione di deposizioni multimateriale e multi-graded. Il sistema di movimentazione consiste in un braccio antropomorfo (ABB) a sei assi che, con l’aggiunta dei due assi della tavola rotante basculante, permette la deposizione di geometrie complesse.

Il Sistema Binder Jet Innovent di ExOne è uno dei primi esemplari disponibili in Italia basati su questa tecnologia. Con essa è possibile processare materiali che sono considerati come critici o meno adatti per il laser, quali metalli refrattari, metalli duri contenenti carburi, rame e altri, oltre naturalmente ai metalli strutturali più convenzionali. È rilevante per questo sistema la possibilità di produrre parti con dettagli geometrici anche molto fini e l’importanza di mettere a punto atmosfere adatte e cicli di sinterizzazione per ottenere componenti con caratteristiche meccaniche ottimali.

Con lo stesso obiettivo, nel 2014 il Dipartimento di Meccanica ha ideato un sistema a estrusione (noto anche come “Extrusion Based AM”), denominato “Efesto” (poi brevettato nel 2016), per la stampa 3D di materiali metallici e ceramici tramite estrusione di una miscela di polvere e binder sotto forma di pellet. La tecnologia di deposizione è molto versatile rispetto ai materiali utilizzabili, consente una semplice interazione con fasi “ibride” di lavorazione per sottrazione e prevede delle fasi di post-processing termico. Inoltre, grazie all’utilizzo di pellet, eredita know-how e materiali dal processo MIM (Metal Injection Moulding).

Ancora nell’ambito del finanziamento ottenuto come “Dipartimento di Eccellenza” LIS4.0, il Dipartimento ha anche installato uno dei primi sistemi Desktop Metal in Europa, il sistema Studio System +, per la stampa 3D di materiali che vanno dai più comuni metalli per processi di produzione additiva a materiali innovativi, come per esempio il rame a basso costo. Il sistema sarà in funzione da fine 2019.

Completa il parco macchine un sistema a robot collaboranti per la realizzazione di strutture free-form di grandi dimensioni attraverso un sistema a estrusione/poltrusione per la realizzazione di oggetti in materiale composito a fibra continua con matrice sia termolastica che termoindurente.

Per riuscire ad avere uno sguardo completo sull’additive manufacturing, il laboratorio ha anche investito in sistemi innovativi per la caratterizzazione delle polveri in ingresso, sia relativamente alla analisi granulometrica e morfologica (Malvern Morphologi G3), sia per la caratterizzazione reologica (FT4 Freeman Technology). Questi sistemi hanno lo scopo di studiare come le proprietà della polvere si modifichino durante il loro ciclo di vita (a seguito della fase di riciclo) e di capire quali proprietà siano fondamentali per la qualità del pezzo finale. Infine, la caratterizzazione non distruttiva del componente stampato è effettuata tramite micro tomografia computerizzata (North Star Imaging X25), che permette di individuare difetti interni al pezzo con una risoluzione micrometrica (risoluzione nominale 1 µm).

Dalla progettazione al prodotto - Ricerca presso Add.Me Lab

All’interno di Add.Me lab si conducono ricerche in diversi ambiti per rispondere alle esigenze del mercato unendo gli aspetti di materiale, processo, design e qualifica dei prodotti realizzati.

Il settore della ricerca sui nuovi materiali per Additive Manufacturing è estremamente vivace e dinamico. Essendo quelli descritti processi molto diversi dai processi manifatturieri tradizionali, è pressante la richiesta di disponibilità di nuove leghe ottimizzate per i diversi processi di fabbricazione additiva, per fornire migliori caratteristiche finali ma anche consentire condizioni di processo più robuste ed esenti da difetti. In aggiunta, si aprono nuove frontiere per la progettazione di componenti multi-materiale creati dall’abbinamento di più materiali/leghe con composizione che varia da zona a zona in funzione delle necessità di impiego, così come di strutture trabecolari (“lattice” 3D) per l’alleggerimento delle strutture.

Grande interesse è inoltre dato allo studio delle polveri (morfologia, chimica, proprietà), per approfondire tematiche di caratterizzazione del materiale in ingresso e studiare nuove soluzioni per il riciclo delle polveri in ottica di riduzione dei difetti e di massimizzazione della sostenibilità del processo.
Un ulteriore ambito di ricerca mira a risolvere i problemi legati alla processabilità di nuovi materiali lavorati con le diverse tecnologie additive, l’ottimizzazione dei parametri di processo, e lo sviluppo di architetture di macchine innovative. Sono coinvolte tecniche sperimentali e di modellazione sia per la soluzione dei problemi di fattibilità che per la comprensione di base dei fenomeni fisici.

Uno dei temi di ricerca consiste nella caratterizzazione delle difettosità tipiche dei processi additivi e nello sviluppo di soluzioni “zero defect 4.0” orientate alla riduzione dei difetti e al miglioramento delle prestazioni dei processi additivi (risoluzione, accuratezza, ripetibilità, complessità geometrica) grazie all’utilizzo del flusso di dati (immagini, video e segnali) acquisiti in tempo reale durante il processo di stampa. Vengono studiate e sviluppate soluzioni innovative per la completa digitalizzazione del processo in ottica Industria 4.0, come il monitoraggio in-linea del processo sulla base di dati acquisiti da sensori in-situ (immagini/video ad alta risoluzione temporale/spaziale nel visibile e nell’infrarosso, etc.), in grado di identificare in modo rapido e robusto l’insorgere di difetti ed errori di processo. Vengono inoltre studiati nuovi metodi per l’analisi e il controllo della qualità di prodotti dalle geometrie e strutture complesse tipiche dei processi additivi.

La possibilità di realizzare componenti caratterizzati da un’elevata complessità geometrica e funzionale a differenti livelli di scala sta offrendo sempre nuovi stimoli progettuali nei più svariati ambiti industriali. Lo sviluppo di materiali e di strutture reticolari multifunzionali e di soluzioni altamente personalizzate rappresentano solo alcune delle possibilità progettuali offerte dalle tecnologie additive. Per poter però sfruttare pienamente tali possibilità è necessario compiere una significativa evoluzione del paradigma progettuale: un effettivo ed efficace Design for Additive Manufacturing, infatti, richiede un rinnovamento e un’evoluzione tanto dei metodi quando degli strumenti progettuali.

Il mondo della ricerca che opera nel contesto del Design for Additive Manufacturing si propone quindi sia di sviluppare soluzioni innovative che consentano di sfruttare appieno le potenzialità delle tecnologie additive, sia di supportare il progettista nel gestire ed utilizzare a proprio vantaggio tali possibilità. In una prospettiva più generale, scopo ultimo è quello di contribuire allo sviluppo e all’utilizzo ottimale di tutti gli strumenti e delle tecnologie (sia hardware, sia software) che ruotano attorno al mondo dell’Additive Manufacturing al fine di riuscire a trarne i maggiori benefici.

Le attività sono rivolte anche ai metodi per la stima dell’integrità strutturale (resistenza statica, a fatica e a frattura) per un’adeguata valutazione delle prestazioni del componente in relazione al processo e per adeguare gli usuali metodi di progettazione. In quest’ambito si è sviluppato un innovativo modello di calcolo probabilistico, cui si affianca lo sviluppo di metodologie di calcolo per le proprietà dei metamateriali (strutture micro-reticolari e cellulari).