AMINA Project - Abstract
Il progetto AMINA (Additive Manufacturing for INVAR-based Applications) si propone di sviluppare e validare un processo produttivo innovativo, efficiente, circolare e sostenibile, basato sulla tecnologia Selective Laser Melting, per la realizzazione di componenti meccanici in Invar36, una lega a base nichel con il 36% di ferro, di particolare interesse in settori avanzati grazie alle sue ottime capacità meccaniche, basso coefficiente di dilatazione termica e ottima resistenza a temperature criogeniche. Queste proprietà rendono tali materiali ideali per la produzione di componenti di alta precisione, in particolare nel settore dell’Automazione Industriale, dove sono richieste tolleranze geometriche molto strette, stabilità dimensionale anche in presenza di variazioni termiche e affidabilità strutturale nel tempo.
Componenti in Invar36 sono attualmente prodotti attraverso tecnologie tradizionali, ad alto consumo energetico e impatto ambientale, quali la fusione e la forgiatura. L'obiettivo generale del progetto è quello di trasformare radicalmente l'approccio produttivo di queste leghe speciali, sfruttando i vantaggi offerti dalla manifattura additiva per ottenere componenti ad alte prestazioni, riducendo al contempo gli scarti di lavorazione, l’uso di materiali e l’impronta ambientale complessiva. In particolare, il progetto mira a dimostrare la fattibilità e la scalabilità industriale del processo AM applicato a leghe a basso coefficiente di dilatazione termica, rendendole più accessibili e competitive per applicazioni avanzate.
In tale ottica, il progetto AMINA intende sviluppare un dimostratore funzionale, rappresentativo di applicazioni reali nel contesto industriale Made in Italy, con particolare riferimento a settori ad alta specializzazione tecnologica, come l’automazione industriale e l’ottica avanzata.
Per raggiungere i propri obiettivi, il progetto AMINA prevede una serie di attività mirate, suddivise in più fasi, ciascuna con obiettivi tecnici e industriali ben definiti, che riguardano l’ottimizzazione dell’intero processo produttivo, dal tuning del processo di stampa ALM, passando per la validazione di trattamenti termici che consentano di migliorare le proprietà del materiale e al redesign funzionale del componente, fino alla rilavorazione finale del prodotto mediante tecnologie sottrattive CNC.
OBIETTIVI
Il principale obiettivo del progetto AMINA consiste nella messa a punto e validazione di un processo produttivo innovativo per la realizzazione di componenti in materiali ad alte prestazioni, capace di garantire risultati comparabili alle tecnologie tradizionali, ma con un impatto ambientale significativamente ridotto.
Lo sviluppo del processo produttivo è stato articolato in una serie di fasi integrate, volte a coprire l’intero ciclo di sviluppo di un dimostratore tecnologico. La stampa additiva tramite tecnologia SLM è stata analizzata in modo approfondito, partendo dalla scelta delle materie prime fino alla definizione dei parametri di processo ottimali. Il componente oggetto di studio ha inoltre subito un redesign basato su ottimizzazione topologica, seguito dalla progettazione di un grezzo idoneo alla stampa e coerente con lo sviluppo di un ciclo di lavorazione meccanica ottimizzato.
L’obiettivo finale è fornire una valutazione quantitativa dei benefici ambientali offerti dal processo sviluppato rispetto alle tecnologie convenzionali. Lo strumento utilizzato per tale valutazione è un’analisi del ciclo di vita basata su dati reali di consumo e prestazione, al fine di confrontare in modo rigoroso, coerente e completo le due strategie produttive. I risultati ottenuti costituiscono una base solida per la valutazione della sostenibilità complessiva e per l’individuazione di ulteriori opportunità di ottimizzazione futura.
RISULTATI
Il progetto ha raggiunto con successo gli obiettivi prefissati, dimostrando la validità della tecnologia SLM (Selective Laser Melting) per la produzione di componenti in Invar 36 destinati ad applicazioni ad alta precisione. Il dimostratore prodotto mediante il processo produttivo messo a punto da Sòphia High Tech rispetta pienamente i requisiti di progetto sia dal punto di vista dimensionale che di proprietà meccaniche.
Le attività svolte hanno permesso di raggiungere gli obiettivi prefissati per il progetto AMINA:
• Ottimizzazione dei parametri di processo ALM (Additive Layer Manufacturing):
Sviluppo di strategie di stampa ottimizzate per leghe Nichel-Ferro, al fine di massimizzare le proprietà termo-meccaniche del materiale nella condizione as-built e migliorare la qualità superficiale del componente finito.
• Definizione e validazione di trattamenti termici post-processo:
Messa a punto di cicli di trattamento termico ad hoc per stabilizzare la microstruttura, ridurre le tensioni residue, migliorare la lavorabilità e garantire prestazioni meccaniche affidabili e ripetibili.
• Sviluppo e validazione di un processo produttivo circolare e a basso impatto ambientale:
Sostituzione delle tecnologie convenzionali (casting/forging) con un processo ALM ottimizzato ed integrato con una fase di ri-lavorazione CNC, in grado di ridurre drasticamente gli scarti di produzione (material waste), minimizzare il consumo energetico e permettere la produzione di geometrie near-net-shape, limitando la necessità di lavorazioni post-stampa.
• Ottimizzazione strutturale del componente dimostrativo:
Applicazione di strumenti di progettazione avanzata (topological optimization, CAE) per la riduzione del peso del componente, mantenendo inalterate le prestazioni meccaniche e funzionali, contribuendo così alla riduzione del consumo di materiali, delle emissioni legate alla produzione, e dell’energia necessaria all'operatività dei sistemi in cui i componenti verranno integrati.
• Produzione del componente:
Applicazione del ciclo produttivo messo a punto con la realizzazione e successiva validazione di un dimostratore di progetto di interesse per l’ambito dell’automazione industriale.
SVILUPPI FUTURI
Il progetto AMINA si configura come un caso esemplare di applicazione dell’Additive Manufacturing come Key Enabling Technology dell’Industria 4.0, in grado di abilitare nuovi modelli produttivi, più sostenibili e flessibili, e di generare valore lungo tutta la filiera, dalla progettazione al prodotto finito. Il know-how sviluppato sarà trasferibile ad altri contesti industriali ad alto valore aggiunto, posizionando l’Italia come riferimento nella produzione avanzata di componenti in materiali speciali per l’automazione e oltre.
Gli sviluppi futuri del progetto AMINA saranno orientati al consolidamento, all’ottimizzazione e all’ampliamento del processo produttivo sviluppato, con l’obiettivo di garantire la scalabilità industriale della tecnologia e di rafforzarne la sostenibilità ambientale ed economica. In questa prospettiva, particolare attenzione sarà rivolta alla trasferibilità del know-how acquisito a contesti produttivi diversi e alla replicabilità dei risultati su componenti di diversa complessità geometrica e funzionale.
Tra i potenziali ampliamenti della sperimentazione si prevede di poter allargare le attività svolte ad una più ampia gamma di materiali alto-performanti, al fine di valutare gli output del processo in condizioni differenti e di individuare le combinazioni ottimali di materiali e parametri di stampa, approfondendo parallelamente le strategie di post-processing e di trattamento superficiale, per migliorare ulteriormente le prestazioni meccaniche, la durabilità e la qualità dimensionale dei componenti realizzati.
In tale prospettiva, un aggiornamento dinamico della LCA permetterà di monitorare con maggiore precisione gli impatti ambientali nelle diverse fasi del processo e di identificare nuovi margini di miglioramento legati al consumo energetico, all’efficienza dei materiali e alla gestione dei rifiuti di produzione.
Un ulteriore ambito di sviluppo riguarderà la digitalizzazione e l’automazione del processo, attraverso l’introduzione di strumenti di monitoraggio in tempo reale, sensori avanzati e modelli predittivi basati su intelligenza artificiale. Tali strumenti consentiranno di migliorare il controllo di processo, la tracciabilità dei dati produttivi e la qualità finale dei componenti, promuovendo al contempo una gestione più efficiente delle risorse.
L’obiettivo futuro delle attività è quello di trasferire i risultati ottenuti dal processo sviluppato verso una produzione seriale e industrializzazione su larga scala, garantendo le basi per un trasferimento tecnologico efficace che assicuri l’affidabilità e la competitività del processo in contesti produttivi reali.
Tale percorso consentirà l’evoluzione verso modelli produttivi più sostenibili, efficienti e digitalmente integrati, in linea con le esigenze della transizione ecologica e digitale dell’industria manifatturiera.
