Monitoraggio Acustico – È la Chiave per Commercializzare la Produzione Additiva a Base di Laser?

Il mercato della produzione additiva è in crescita. Come indicano le stime della ricerca di settore, il mercato globale della produzione additiva di metalli e polimeri, valutato a 7,17 miliardi di euro nel 2020, dovrebbe espandersi a 19,23 miliardi di euro entro il 2026. Questa traiettoria di crescita suggerisce un quasi triplo aumento in un arco di sei anni.

Una varietà di settori sta sfruttando la produzione additiva per raggiungere i propri obiettivi di produzione. In particolare, i rapporti indicano che i settori aerospaziale, delle turbine e degli elicotteri stanno guidando la crescita, occupando la quota più ampia. Questo è seguito da una significativa adozione nel settore medico.

Con la crescente dimensione del mercato e una gamma di applicazioni in continua espansione, la produzione additiva si è notevolmente diversificata, sia in forma che in applicabilità. Uno sviluppo notevole in questo ambito è la produzione additiva a base di laser. Nelle sezioni successive, approfondiremo il suo potenziale commerciale e il ruolo significativo che il monitoraggio acustico potrebbe svolgere nella sua applicazione di successo.

Tuttavia, prima di esplorare questi aspetti in maggiore profondità, è importante prima comprendere cosa comporta realmente la produzione additiva a base di laser.

Cos’è la Produzione Additiva a Base di Laser?

Il MIT Sloan School of Management definisce la produzione additiva come il “processo di creazione di un oggetto costruendolo strato per strato. È l’opposto della produzione sottrattiva, in cui un oggetto viene creato rimuovendo materiale da un blocco solido fino al completamento del prodotto finale.”

Secondo la definizione, la produzione additiva può indicare qualsiasi processo di creazione di un prodotto mediante la costruzione di qualcosa. Tuttavia, nella pratica, si riferisce alla stampa tridimensionale.

Se osserviamo la storia della stampa 3-D, essa iniziò nel 1977 quando Wyn Kelly Swainson brevettò l’uso mirato del laser su un vassoio immerso in plastica liquida, fondendo uno strato di plastica solida sopra. Nel 1999, i ricercatori del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine stamparono in 3-D una vescica, diventando il primo organo stampato in 3-D nella storia umana. Il primo mobilio funzionale stampato in 3-D nacque nel 2005. Un utilizzo industriale su più larga scala della stampa 3-D fu quando Boeing lanciò le sue parti in titanio stampate in 3-D, approvate dalla FAA, per il 787 Dreamliner.

Fin dall’inizio della produzione additiva, i laser sono stati un componente cruciale. Laser Systems Europe, una pubblicazione con sede nel Cambridgeshire per integratori e utenti di sistemi laser industriali per la lavorazione dei materiali, definisce la produzione additiva laser come un processo in cui “un fascio laser viene utilizzato per fondere o fondere strati successivi di filo o materiale in polvere insieme per creare un oggetto 3D.”

La tecnologia si applica a una gamma di materiali, dalle leghe metalliche ad alta resistenza ai termoplastici e alle resine. È in grado di creare forme complesse con un livello significativo di precisione.

Con l’avanzare della tecnologia, i laser giocheranno un ruolo cruciale nel plasmare il nostro futuro. Le loro applicazioni si trovano ampiamente nei settori delle comunicazioni, della difesa, della salute, dell’energia pulita/fusione nucleare e altro ancora. Lo stesso vale per la produzione additiva a base di laser, che anch’essa presenta applicazioni diverse e numerosi vantaggi.

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Tipi e Vantaggi della Produzione Additiva a Base di Laser

La produzione additiva a base di laser può presentare diversi tipi, tra cui fusione a letto di polvere, deposizione di energia diretta, getto di materiale, laminazione a fogli e stereolitografia.

Uno dei suoi vantaggi più distintivi risiede nella capacità di creare strutture complesse con geometrie ottimizzate. Le tecniche convenzionali di produzione additiva non riescono a raggiungere questo livello di precisione.

La precisione offerta dalla produzione additiva a base di laser contribuisce a ridurre la necessità di post-elaborazione. Riduce al minimo gli sprechi di materiale e diminuisce drasticamente il consumo energetico rispetto ai processi di produzione tradizionali.

I processi di produzione additiva a base di laser sono facili da automatizzare e personalizzare secondo le esigenze precise. Le proprietà di precisione e automatizzabilità del metodo si combinano per renderlo una soluzione efficiente per la prototipazione rapida a costi notevolmente inferiori.

Poiché la produzione additiva a base di laser non richiede assemblaggio, può essere realizzata esattamente in base alla domanda, utilizzando solo i materiali necessari senza eccessi o sprechi. Inoltre, beneficia l’ambiente riducendo l’impronta di carbonio generata da logistica, trasporto e gestione dei rifiuti.

Aree di Applicazione della Produzione Additiva a Base di Laser

L’applicazione della produzione additiva laser ha un ampio campo d’azione. Nell’industria aerospaziale, ad esempio, è fondamentale per creare componenti ad alte prestazioni e leggeri. I benefici di questa tecnologia si estendono anche all’industria automobilistica, dove viene utilizzata per produrre componenti essenziali per motori, trasmissioni, sistemi di scarico e freni.

Inoltre, la produzione additiva laser svolge un ruolo significativo nella sanità, in particolare nella realizzazione di progetti complessi su misura per i pazienti. Ciò include una gamma di soluzioni protesiche come impianti per anca e ginocchio e impianti dentali.

Nel settore dell’elettronica, la precisione della produzione additiva laser viene sfruttata per creare PCB ad alta precisione. Questa precisione consente la produzione di prodotti elettronici con caratteristiche più fini, incluse antenne, sensori e transistor.

Il potenziale della tecnologia è evidente anche nella sua applicazione nella produzione di sistemi microelettromeccanici (MEMS). Qui, facilita la creazione di componenti intricati come accelerometri e giroscopi.

Nel settore energetico, la produzione additiva laser si dimostra utile per la riparazione di componenti di turbine a gas e eoliche. Gioca anche un ruolo critico nella fabbricazione di componenti come giranti, valvole e scambiatori di calore. Tuttavia, nonostante il potenziale d’uso multifaccettato della produzione additiva laser, non è ancora stata adeguatamente commercializzata.

Produzione Additiva Laser: Mancanza di Commercializzazione

Uno studio del 2016 ha approfondito l’analisi empirica dei livelli di commercializzazione della produzione additiva laser. Questa indagine ha stimato la dimensione del mercato globale dei laser industriali, comprendente tutte le fonti laser, intorno a US$3.3 miliardi. E all’interno di questo ampio mercato, le fonti laser additive rappresentavano solo una parte di US$100 milioni. Percentualmente, le fonti laser costituivano appena il 3% del valore totale del mercato.

I numeri possono essere confermati anche da informazioni qualitative ricevute da fonti del settore. Per esempio, nell’industria aerospaziale, l’ambiente normativo ha mantenuto l’uso della produzione additiva laser limitato principalmente alla prototipazione e non può essere impiegato negli aerei commerciali. Analogamente, nell’industria automobilistica, l’uso certificato di componenti prodotti con produzione additiva laser è iniziato solo di recente.

La crescita imminente della produzione additiva laser dipenderà quindi dal suo utilizzo in grandi industrie manifatturiere. Inoltre, dovrà essere alimentata da innovazioni, evidenziando il suo potenziale più in modo prominente rispetto al passato.

Monitoraggio Acustico: Un Cambiamento di Gioco per la Produzione Additiva Laser

Una ragione fondamentale per cui la produzione additiva a base di laser non ha guadagnato lo slancio che avrebbe potuto è legata alla sfida dei difetti imprevisti. Questi difetti spesso non sono rilevabili con metodi tradizionali, come l’imaging termico e gli algoritmi di apprendimento automatico.

Pertanto, la capacità di rilevare efficacemente i difetti in tempo reale è cruciale. Questa capacità può aiutare significativamente la produzione additiva laser a realizzare il suo vero potenziale commerciale.

Per spiegare brevemente, il metodo di monitoraggio acustico per rilevare difetti nella produzione additiva laser è una soluzione in tempo reale che si basa sulla differenza nel suono che la stampante emette durante una stampa perfetta e una stampa con difetti e irregolarità.

“La nostra ricerca non solo conferma la sua rilevanza, ma sottolinea anche il suo vantaggio rispetto ai metodi tradizionali.”

Il processo è conveniente, soprattutto per il miglioramento della qualità dei prodotti realizzati tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Nel processo LPBF, uno strato di polvere viene distribuito su una piattaforma di costruzione. Il fascio laser viene poi utilizzato per fondere selettivamente la polvere in aree specifiche. Dopo la fusione, risultante in un oggetto solido, un nuovo strato di polvere viene nuovamente distribuito sopra per ripetere il processo. Questa ripetizione strato per strato continua fino al raggiungimento del prodotto finale.

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La Tecnologia di Rilevamento dei Difetti tramite Monitoraggio Acustico

Il team dell’EPFL ha ideato il progetto in collaborazione con il Paul Scherrer Institute (PSI) e i Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza dei Materiali e la Tecnologia (Empa).

Per raggiungere il loro obiettivo, il team ha installato microfoni ultra-sensibili all’interno della camera di stampa. Questi microfoni hanno aiutato a individuare spostamenti distinti nel segnale acustico durante i cambi di regime e, infine, hanno permesso di identificare difetti di produzione.

La ricerca ha apportato valore al campo della produzione additiva laser, poiché i ricercatori credono che i loro risultati avranno un impatto significativo sulle applicazioni industriali della produzione additiva laser, comprese le aree dell’aerospazio e della produzione di precisione.

Riflettendo sulle implicazioni più ampie, molte aziende coinvolte nella produzione additiva laser offrono una varietà di prodotti e soluzioni. Queste aziende sono ora pronte a esplorare ulteriormente lo studio per integrare i benefici nei loro processi. Nei segmenti seguenti, esamineremo alcuni di questi innovativi e leader player della produzione additiva laser.

Principali Aziende che Commercializzano la Produzione Additiva a Base di Laser

#1. IPG Photonics Corporation

Due dei processi di produzione additiva laser impiegano i laser IPG: LMD (Laser Metal Deposition) e SLM (Selective Laser Melting). Mentre l’SLM è fondamentale per produrre parti metalliche completamente dense con proprietà meccaniche migliorate, il processo LMD utilizza un ugello per alimentare coassialmente la polvere nel punto laser focalizzato, facilitando la produzione di componenti metallici funzionali completamente densi.

Nel migliorare questi processi, i laser a fibra IPG svolgono un ruolo cruciale. Sono fondamentali nello sviluppo di sistemi e processi che raggiungono tassi di accumulo o deposizione della polvere più rapidi, soprattutto a livelli di potenza multi-kilowatt.

La gamma di materiali compatibili con il processo di produzione additiva laser di IPG è notevolmente diversificata, includendo, ma non limitandosi a:

• Polimeri
• CoCr
• Alluminio
• Leghe di Ti
• Acciaio inossidabile
• Acciai per utensili

Dimostrando il successo di questi progressi tecnologici, IPG Photonics Corporation (IPGP ) ha riportato risultati finanziari solidi per l’anno conclusosi il 31 dicembre 2022. L’azienda ha registrato un fatturato superiore a US$1,4 miliardi, con un utile netto attribuibile a IPG Photonics Corporation per azione ordinaria (base) di US$2,17.

#2. Laser Melting Innovations (LMI) 

Un fornitore innovativo di soluzioni di produzione additiva laser, LMI, lavora con la visione di rendere la tecnologia accessibile a aziende di ogni tipo e dimensione.

Il suo prodotto di punta, The Alpha 140, utilizza un laser a fibra raffreddato ad aria con potenza di 200 W, compatibile con la lavorazione di acciaio inossidabile, leghe di nichel, leghe di acciaio per utensili e leghe di alluminio. Il diametro di fuoco di 140 µm consente di produrre uscite precise con dettagli fini e pareti sottili. Il suo sistema di assi azionato da mandrino garantisce un’elevata precisione di posizionamento e ripetibilità.

Le dimensioni del sistema, 1,75 m × 0,95 m, consentono un’efficienza di spazio sia in ambienti che in laboratori di ricerca. I componenti prodotti dall’Alpha 140 sono comparabili a quelli prodotti dalle macchine LPBF convenzionali in termini di resistenza e densità.

LMI è stata fondata nel 1996 e nel 2020 ha stretto una collaborazione con Kurtz Ersa, un costruttore di macchine che offre anche soluzioni di produzione additiva a settori come automotive, medical e aerospace, per commercializzare l’Alpha 140 tramite la rete di distribuzione mondiale di Kurtz Ersa con servizio 24 ore.

#3. Prima Additive 

Prima Additive, una divisione di Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa, offre soluzioni di Laser Powder Bed Fusion (LPBF) o Selective Laser Melting che sfruttano l’energia termica del laser per fondere la sezione di un oggetto a uno strato di polvere metallica.

Le soluzioni laser di Prima Additive si dimostrano efficaci nella realizzazione di geometrie complesse, sistemi di produzione a piccoli lotti e prototipi. Offre in totale cinque soluzioni.

Il Print Sharp 150 è efficace nelle applicazioni di R&S per la lavorazione di una varietà di materiali, come acciaio, alluminio, nichel, titanio e leghe di cobalto‑cromo.

Passando a un altro modello, il Print Genius 150 si distingue per la versatilità della sua tecnologia multi‑laser. Al contrario, la variante Print Green 150 utilizza un laser verde, particolarmente utile per la lavorazione di rame puro, leghe di rame e materiali altamente riflettenti.

Per operazioni su scala più ampia, la soluzione 300 Family è perfetta. È progettata per scenari ad alta produttività ed è ideale per la produzione di componenti di dimensioni medie e grandi.

Infine, il Print Genius 400 offre un’opzione altamente automatizzata per la produzione di grandi componenti fino a 1 metro di altezza.

Dal punto di vista dei ricavi, Prima Industries Spa, la società madre di Prima Additives, ha registrato un fatturato netto di oltre 327 milioni di euro per i nove mesi chiusi il 30 settembre 2022. Questo rappresenta un notevole aumento rispetto al fatturato di oltre 281 milioni di euro registrato per i nove mesi chiusi il 30 settembre 2021.

Il Futuro della Produzione Additiva Laser con Monitoraggio Acustico e Altro

Con le innovazioni in corso, è solo questione di tempo prima che la produzione additiva laser raggiunga il suo vero potenziale commerciale. Nel frattempo, il monitoraggio acustico si presenta come uno strumento cruciale. Questa tecnologia contribuirà a rendere le tecniche di produzione più coerenti. Rilevando i difetti in anticipo e facilitandone la correzione, è pronta a migliorare significativamente la qualità dei prodotti nel prossimo futuro.