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Manifattura Additiva – Tecnologie Prioritarie per l’Industria

Progetto MAIA – “Materiali Avanzati in una Infrastruttura Aperta”

Airi ha preso parte all’inaugurazione della maxi infrastruttura “Materiali Avanzati in una Infrastruttura Aperta” – MAIA – da 4 milioni di euro per materiali avanzati e stampa 3D.

MAIA nascerà nel Centro Ricerche ENEA di Casaccia e si occuperà, in particolare, di studiare nuovi materiali in polvere estremamente fine (dai 10 ai 50 micron) con cui le aziende hi-tech e la stessa ENEA potranno realizzare componenti, semilavorati e prodotti finiti, grazie ad attrezzature e sistemi innovativi di processo e di qualificazione della struttura come stampanti, presse e forni.

L’infrastruttura intende porsi come riferimento per la fornitura di servizi, per la KET Materiali Avanzati, principalmente attraverso lo sviluppo e l’utilizzo di materiali in polvere da destinare all’emergente tecnologia della stampa 3D.

Airi presenta lo studio delle Tecnologie Prioritarie per l’Industria

In quest’importante occasione abbiamo presentato lo studio le “Innovazioni del Prossimo Futuro: Tecnologie Prioritarie per l’Industria“, che conduciamo ormai dagli anni ’90 a cadenza regolare. Un foresight unico a livello nazionale, frutto del lavoro di circa 200 manager della R&S, che fra qualche mese giungerà all’undicesima edizione. Tecnologie che abilitano innovazioni e progetti di competitività industriale in catene del valore molto diverse, a volte lontane dal contesto applicativo in cui si è sviluppata la tecnologia.

Il quadro che delinea questo studio è quindi fondamentale per posizionare il paese e i players della R&S nazionale nel quadro globale.

Dall’analisi delle Tecnologie Prioritarie per l’Industria quali sono i settori industriali che fanno più uso della Manifattura Additiva?

La Manifattura Additiva è la tecnologia di produzione che aggiunge materiale, strato su strato, per ottenere una specifica forma. È uno degli esempi più evidenti di tecnologia abilitante e trasversale nei diversi settori applicativi. Ciò era già evidente nell’edizione delle Teconologie Prioritarie del 2020, e oggi lo è ancora di più.

Tra le aziende e centri di ricerca che partecipano al nostro studio per il settore della Manifattura additiva segnaliamo Prima addittive, Rina consulting ed Enea, insieme ai coordinatori del settore Cosberg e DIH Lombardia. A livello nazionale esiste un contesto produttivo importante, con diverse aziende che sviluppano macchinari e forniscono servizi legati al 3D printing, con un trend in crescita rispetto a quello che è stato rilevato nell’edizione 2020.

La manifattura additiva ha un forte impatto nel settore dei trasporti, farmaceutico ed energetico (componentistica). È inoltre citata in modo esplicito, con schede dedicate, nei settori della meccatronica, microelettronica, costruzioni, spazio.

Le motivazioni che hanno portato a un’impennata del suo sviluppo seguono due linee principali:

Migliorare l’efficienza delle produzioni esistenti, sostituendo i processi tradizionali;
Produrre forme, materiali e processi completamente nuovi.

I fattori positivi riscontrati sono: flessibilità applicativa, strutture complesse e on demand, riduzione dei tempi di realizzazione, multi funzionalità, ottimizzazione del design del componente, vantaggi in ottica di catena di produzione e di fornitura (logistica, trasporti, magazzino, scarti). Tuttavia, permane il limite della bassa produttività ed efficienza dei sistemi presenti, almeno per i materiali e prodotti di uso industriale.

I principali obiettivi della ricerca sono: lo sviluppo di processi più efficienti e sostenibili, l’applicazione con nuovi materiali e per nuove applicazioni, lo sviluppo di macchine e di software e modelli per il 3d printing sempre più sofisticati, la completa automazione del processo, dal design alla realizzazione del prodotto finito.

La possibilità di depositare secondo forme “esotiche” materiali aventi caratteristiche chimico-fisiche diverse oppure variabili da punto a punto, così come la possibilità di combinare due diverse tecnologie di stampa in un unico processo realizzativo, sono solo alcuni dei temi portanti della ricerca industriale.

I settori che a oggi sono più coinvolti nell’uso della manifattura additiva sono: aerospaziale, microelettronica, meccatronica e costruzioni.

Spazio

parti strutturali di satelliti, con funzioni integrate di dissipazione termica
componenti in materiali alternativi ai metalli (es compositi), strutture multifunzionali (meccaniche, elettriche magnetiche) mediante l’uso tecnopolimeri
manifattura in orbita; pezzi di ricambio per future missioni spaziali, antenne e altri dispositivi di grandi dimensioni (troppo grandi per lancio da terra)
stampa in microgravità ad altissima qualità per applicazioni terrestri: esperimenti con stampa di tessuti organici e fibre ottiche

Microelettronica

le stampanti 3D, in una prospettiva di medio-lungo termine (5 a 10 anni), potranno contribuire alla progettazione e produzione di package innovativi e multifunzione, che introducono geometrie e soluzioni diverse (es per le connessioni/ wire bonding) o che generano forme per l’inserimento di elementi attivi, ad gli specchi MEMS, accrescendo la complessità delle strutture e l’efficienza del processo produttivo.
Altra linea di applicazione è la realizzazione degli stessi chip, superando le attuali tecnologie planari di deposizione sulla superficie, e sviluppando nuovi metodi per la lavorazione e realizzazione di elementi attivi nei substrati di silicio, ad oggi realizzati con tecniche sottrattive (etching).

Il limite attuale di tutte le stampanti 3D in ambito package per semiconduttori è il loro basso throughput, attualmente incompatibile con produzioni di massa nell’ordine dei milioni di pezzi l’anno, come i settori consumer, industrial o automotive. Una possibile mitigazione di questo limite consiste nella disponibilità di stampanti 3D multi-ugello in modo tale da parallelizzare la deposizione di materiale e quindi aumentare la loro produttività.

Costruzioni

Stampa digitale di materiali a base cementizia: possono favorire un uso efficiente delle risorse naturali nelle costruzioni, e la loro integrazione con altre tecnologie digitali (es. BIM- building information modeling), offrendo la possibilità di realizzare strutture innovative;
Collocare il materiale nella struttura solo “dove serve”, evitandone “sprechi” , risparmi in termini di volume di materiale una certa funzione strutturale;
Oltre all’ambito strutturale, una delle possibilità ad esempio è la stampa di casseri permanenti ad hoc, con funzioni di per sé di tipo non-strutturale (ma ad esempio architettonico), per l’esecuzione del getto strutturale;
L’elevata automazione può offrire vantaggi in fase di realizzazione in opera, aumentandone il livello di sicurezza di cantiere.

Meccatronica

Tecnologie laser per la manifattura additiva dei metalli. Laser a lunghezza d’onda corta (laser blu), in alternativa agli attuali laser ad IR, che garantiscono un maggiore assorbimento dai metalli e quindi una migliore efficienza e qualità di processo;
Tecnologie di stampa 3D per materiali plastici;
materiali polimerici biodegradabili o compostabili, derivati da fonti rinnovabili e di origine naturale;
Bio compositi per applicazioni nel settore degli imballaggi, degli arredi, del design;
La capacità di processare granuli di plastica apre le porte ad interessanti strade di riciclo, ovvero al ri-processamento di plastiche esauste, macinate e estruse per la realizzazione di nuovi filamenti;
Tecnopolimeri multifunzionali e ad alte prestazioni;
Sviluppo della filiera corta e modelli di business verso il concetto di “manifattura urbana, produzione decentralizzata;
Stampa 3D di ceramici;
Componenti ceramici con geometrie e caratteristiche difficilmente ottenibili con le tecniche più diffuse e consolidate (qualità peso resistenza;
Esempio tipico di uso è l’ortodonzia/impianti dentali.