La massiccia macchina europea per la produzione ibrida allarga i confini della stampa 3D
Quando circa dieci anni fa le stampanti 3D in scala giocattolo iniziarono ad apparire nelle Maker Faires, l’idea di stampare un’intera casa sembrava molto lontana. Invece, alla fine del 2019, i costruttori stavano già producendo interi quartieri fatti di piccole abitazioni in cemento stampato. È chiaro, quindi, che la stampa 3D può funzionare su larga scala. Ma può anche generare componenti grandi, complessi e ingegnerizzati per la produzione o l’architettura urbana? Un consorzio di grandi imprese, università e organizzazioni no profit è determinato a dimostrarlo.
L’industria ha concentrato la manifattura additiva su scala commerciale su prodotti con geometrie complesse per i quali i metodi tradizionali di fresatura, fusione o levigatura risultano essere poco pratici o costosi, soprattutto in caso di oggetti richiesti in piccole quantità e con breve preavviso. In generale, si è sempre trattato di oggetti abbastanza piccoli ma Foster + Partners, uno studio di architettura, urbanistica e design a livello mondiale, ha ampliato i confini della manifattura additiva progettando e pianificando una capriata in acciaio additivo lunga 5 metri che è stata prodotta in sezioni.
Il progetto ha rappresentato una prova di fattibilità fondamentale per la macchina modulare integrata sottrattiva additiva su larga scala (LASIMM), un’enorme macchina per la produzione ibrida con capacità additive e sottrattive per metalli. I suoi programmatori prevedono che il sistema ridurrà i tempi e i costi di produzione del 20%, aumentando del 15% la produttività della manifattura additiva per grandi volumi.
Finanziata dal programma dell’Unione Europea per la ricerca e l’innovazione Horizon 2020, la macchina LASIMM è progettata per la stampa 3D di componenti e strutture metalliche per costruzioni di dimensioni fino a 2 metri di diametro, 6 metri di lunghezza e 2.000 chilogrammi di peso. Foster + Partners è uno dei 10 partner del progetto LASIMM; Autodesk è il principale fornitore di software.
La società aerospaziale BAE Systems e il produttore danese di turbine eoliche Vestas Wind Systems A/S, che sono stati partner del progetto LASIMM sin dall’inizio, si sono uniti a Foster + Partners nella fabbricazione di prodotti dimostrativi in un progetto pilota del 2019. L’obiettivo di Foster + Partners era quello di produrre una capriata a sbalzo in acciaio strutturale che mettesse in mostra il potenziale della tecnologia per la sua integrazione in un edificio futuro.
“Foster + Partners vanta una storia di investimenti nella ricerca finalizzata all’avanzamento della scienza che sta alla base dei materiali che utilizziamo nei nostri edifici, per comprendere i requisiti più autentici delle caratteristiche spaziali o prestazionali del progetto”, afferma Josh Mason, un ingegnere progettista del Gruppo di Modellazione Specializzato dell’azienda”.
“Siamo alla ricerca di un maggiore controllo sui volumi strutturali”, sostiene Mason. “In genere, ci vengono fornite travi a I o piastre, e fabbricarle o tagliarle e saldarle di nuovo insieme richiede molto lavoro. Se potessimo stamparle in 3D e controllarne la geometria, potremmo integrare l’illuminazione, i cavidotti, la ventilazione, le caratteristiche di trasmissione del calore e l’acustica direttamente nella struttura del pezzo”.
L’intento dei progettisti era quello di mostrare ciò che accadeva strutturalmente nella capriata, visualizzando le linee di sollecitazione all’interno del progetto. “Verso la punta, il bordo superiore e inferiore della trave si rastremano verso l’interno e lo schema della capriata nel mezzo si basa effettivamente sui percorsi di sollecitazione”, spiega Samuel Wilkinson, un associato di Foster + Partners. “È possibile visualizzare la tensione e la compressione all’interno della trave nella disposizione dei componenti dentro la capriata”.
La macchina LASIMM è stata sviluppata a Pamplona, in Spagna, presso le strutture del partner del progetto Loxin, un’azienda di tecnologia robotica. La macchina è caratterizzata da una configurazione modulare di bracci robotici industriali e un robot di fresatura specializzato ed è in grado di realizzare produzione additiva, lavorazioni (lavoro “sottrattivo”), metrologia e ispezione.
Il processo di costruzione additiva per la trave a sbalzo è partito da una piastra di acciaio, formata da componenti saldati su strati. Il team ha utilizzato un flusso di lavoro di design generativo, sviluppando una serie di vincoli per creare automaticamente un insieme di progetti. I vincoli della trave erano abbastanza semplici: una lunghezza di 5 metri, una larghezza di 500 millimetri e una profondità di 120 millimetri, e un assottigliamento alla fine che ne riduceva la profondità a 50 millimetri, con un carico concentrato di 500 chilogrammi.
Il team ha testato travi di dimensioni diverse (5 metri, 2 metri e opzioni intermedie), che hanno mostrato potenziali usi per scale differenti. Il flusso di lavoro generativo ha adattato i propri progetti a varie forme e dimensioni. “La struttura interna e la profondità della trave erano aperte a vari sviluppi”, dichiara Mason. “Ma i nostri studi iniziali hanno chiarito che la deformazione fuori piano avrebbe rappresentato il vincolo strutturale trainante”.
La deformazione si verifica quando il calore del processo di saldatura distorce il metallo conferendogli una forma a sella paraboloide, simile a una patatina. Il bilanciamento della distribuzione del calore sulla piastra richiedeva la stampa su un lato e quindi la rotazione per stampare una struttura speculare sul retro. “La lastra viene costantemente capovolta per poi stampare un altro strato”, afferma Wilkinson. “Il processo per le parti di grandi dimensioni richiede necessariamente una simmetria. Uno dei maggiori vincoli era proprio l’orientamento delle parti rispetto alla lastra originale”.
L’obiettivo principale della ricerca sui materiali è ottenere una migliore prestazione. “È insolito poter progettare a questo livello di risoluzione”, dice Mason. “Abbiamo avuto modo di verificare il percorso utensile e quale potrebbe essere l’aspetto della trama della superficie. Saremo in grado di specificarli esattamente nei progetti futuri”.
Il team di Foster + Partners ha preso decisioni relativamente conservative per questo progetto. Un obiettivo per i progetti futuri è quello di ideare modi per stampare sagome a forma libera e costruire su una piastra più piccola.
L’obiettivo a medio termine, invece, è applicare la macchina LASIMM a un vero progetto commerciale. “Se si sta realizzando un grande progetto che prevede un componente ripetuto, è ancora più conveniente realizzare uno stampo di fusione”, afferma Mason. “Ma riteniamo che sia più esaltante, dal punto di vista della progettazione, insistere sulla possibilità che tutto sia unico. Questo è il sogno: ogni parte deve essere unica senza incidere sui costi del progetto”.
I progettisti intendono verificare come la macchina LASIMM potrebbe funzionare con altre discipline, producendo altri materiali e integrando ciò che può realizzare con legno, fibre di carbonio e così via. “Molti operatori utilizzano la costruzione additiva per scopi diversi e noi siamo sempre interessati a combinarla con nuove tecniche per utilizzare i materiali in modo più efficace”, dichiara Wilkinson. “Quando utilizziamo materiali pronti all’uso o gettiamo calcestruzzo nelle forme, siamo sempre vincolati dai limiti del materiale estruso. Ad un certo punto, sarà più conveniente utilizzare i processi additivi”.
La tecnologia potrebbe anche trasformare la catena di approvvigionamento per i progetti di architettura. La macchina LASIMM è grande, ma la sua funzionalità potrebbe essere replicata utilizzando componenti e configurazioni più piccoli e più maneggevoli.
Lo scenario più probabile, tuttavia, prevedrebbe la creazione di una rete di cellule di fabbricazione in tutto il mondo per servire i mercati regionali. Praticamente, dovremmo sviluppare degli standard in modo che ogni cellula possa essere certificata per soddisfare gli standard globali di qualità e ripetibilità. Progettare un tale schema di certificazione sarebbe relativamente semplice per fabbricare copie di un componente standardizzato, ma diventa molto più complesso creare uno schema di certificazione quando ogni componente è unico, utilizzando un approccio di design generativo. “Si introdurrebbe davvero un nuovo vincolo che farà sì che il processo generativo possa produrre solo parti certificabili”, asserisce Wilkinson.