Stampa 3D in metallo su larga scala: come WAAM realizza ciò che altri non riescono a realizzare

Note principali:

• Supera i limiti spaziali: Supera i rigidi limiti della camera di costruzione dei sistemi convenzionali a letto di polvere, utilizzando robot industriali multiasse per stampare strutture monolitiche che si estendono per diversi metri di lunghezza.

• Elevate velocità di deposizione: Raggiunge un'eccezionale produttività in termini di accumulo di massa compresa tra 2 e 8 chilogrammi all'ora, rendendo economicamente sostenibile la produzione di componenti su larga scala per l'industria pesante.

• Elimina i costi di attrezzaggio: Elimina completamente la fase di realizzazione degli stampi, gestendo la pianificazione dei percorsi dei robot direttamente dai file CAD digitali, riducendo così i tempi di consegna da mesi a settimane.

• Infrastruttura ad alta capacità: Supportata dalla struttura di MX3D ad Amsterdam, che ospita oltre 15 sistemi di stampa specializzati in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in produzione continua.

• Implementazioni comprovate e certificate: Convalidate da successi sul campo di grande rilievo, tra cui morsetti per condutture in cui la sicurezza è fondamentale, giranti per il settore energetico e il primo ponte pedonale in acciaio stampato in 3D al mondo completamente funzionante.

L'evoluzione della produzione industriale

La stampa 3D in metallo su larga scala è una categoria avanzata di produzione additiva che utilizza sistemi di manipolazione robotica per depositare filo di metallo fuso lungo percorsi generati dal software. Combinando la stampa 3D robotizzata dei metalli con le tecnologie di saldatura ad arco elettrico, questo processo consente di realizzare parti strutturali ad alta densità senza i tradizionali limiti geometrici. Questo metodo permette ai settori industriali di tutto il mondo di avvalersi di una flusso di lavoro di stampa 3D in metallo di grande formato per produrre componenti pesanti lunghi fino a diversi metri, aggirando efficacemente i rigidi limiti dimensionali strutturali delle macchine standard a letto di polvere.

Per decenni, i team di ingegneri hanno dovuto affrontare un rigido collo di bottiglia produttivo nella realizzazione di componenti metallici di grandi dimensioni. Le tecnologie standard di fusione a letto di polvere rimangono fisicamente limitate a piccole camere di costruzione, che in genere limitano le dimensioni massime dei pezzi a meno di 300 millimetri. I metodi tradizionali come la fusione richiedono mesi di preparazione per la realizzazione di costose attrezzature e stampi su misura, mentre i processi di forgiatura a stampo aperto comportano tempi di approvvigionamento molto lunghi, che possono bloccare progetti infrastrutturali critici anche per un anno.

Implementazione la produzione additiva waam tramite una stampante 3D industriale per metalli elimina completamente questi limiti spaziali e finanziari. Operando senza alcuna camera di costruzione chiusa, questo sistema robotico multiasse stampa parti strutturali ad alte prestazioni su richiesta a velocità di deposizione eccezionali che vanno da 2 a 8 chilogrammi all’ora. Essendo uno degli impianti di produzione più qualificati d’Europa, MX3D ha direttamente convalidato la scalabilità industriale di questo approccio, aprendo la strada alla realizzazione di strutture critiche, tra cui il famoso ponte MX3D di Amsterdam , il primo ponte pedonale in acciaio stampato in 3D al mondo completamente funzionante e ad uso pubblico.

Perché WAAM è la tecnologia di stampa 3D in metallo più scalabile

La produzione additiva in metallo su larga scala richiede un metodo di deposizione che svincoli le dimensioni di produzione dalla struttura fissa della macchina, pur mantenendo la fattibilità economica. La produzione additiva ad arco con filo (Wire Arc Additive Manufacturing) raggiunge questa scalabilità trasformando i robot industriali standard in testine di stampa flessibili, consentendo alle aziende di stampare parti delle dimensioni massime che i loro impianti sono fisicamente in grado di gestire.

Nessun limite alle dimensioni della camera di costruzione

Le tecniche convenzionali di stampa 3D dei metalli, come la fusione selettiva al laser o la fusione a fascio di elettroni, sono fondamentalmente limitate dal volume fisico delle loro camere a vuoto interne o dei loro compartimenti per la polvere. Adattare una macchina a letto di polvere per realizzare un pezzo di diversi metri richiede un volume esponenzialmente maggiore di polvere atomizzata specializzata, con conseguenti ingenti spese in conto capitale e complesse operazioni di gestione ambientale. Anche i sistemi di deposizione di energia diretta da laser (DED) dipendono da precisi telai a portale multiasse o da grandi camere di purificazione del gas che limitano la libertà di movimento complessiva.

I sistemi robotizzati ad arco con filo funzionano all’aria aperta, utilizzando un gas inerte di protezione localizzato, erogato direttamente attraverso l’ugello della torcia per proteggere il bagno di fusione localizzato. Poiché questa tecnologia non richiede pareti esterne alla camera di lavorazione, l’unico vincolo pratico alle dimensioni finali del pezzo è rappresentato dal raggio d’azione fisico del braccio robotico industriale. Montando questi manipolatori robotici su binari lineari o guide a portale, l’area operativa si espande indefinitamente, consentendo la fabbricazione continua di strutture metalliche monolitiche che si estendono per diversi metri.

Velocità di deposizione che rendono economicamente convenienti i pezzi di grandi dimensioni

La produzione di componenti strutturali pesanti richiede una tecnologia in grado di depositare ingenti volumi di materiale nel rispetto di tempistiche commerciali serrate. I sistemi a letto di polvere depositano il materiale in strati microscopici, rendendo del tutto impraticabile la produzione di un componente da 100 chilogrammi a causa dei tempi di costruzione che si protraggono per diverse settimane. La deposizione di energia diretta tramite laser consente di costruire il materiale più rapidamente, ma rimane limitata dagli elevati costi del sistema e dai limiti di efficienza della polvere.

La produzione additiva ad arco elettrico utilizza un arco elettrico per fondere un robusto filo di saldatura strutturale, ottenendo un rapido accumulo di massa che si adatta efficacemente alle esigenze dell’industria pesante. A seconda del materiale selezionato, le configurazioni attuali consentono abitualmente velocità di deposizione elevate, comprese tra 2 e 8 chilogrammi all’ora. Questa velocità garantisce che componenti industriali di grandi dimensioni passino da un progetto digitale a uno stato di forma quasi definitiva in una frazione del tempo richiesto da approcci additivi alternativi.

Confronto tra le tecnologie di deposizione

Tecnologia	Intervallo del tasso di deposizione	Dimensione massima effettiva	Modulo relativo alle materie prime
WAAM (Arco DED)	Da 2 a 8 chilogrammi all'ora	Diversi metri (in base alla portata del robot)	Filo per saldatura standard
Laser DED	da 0,5 a 2 chilogrammi all'ora	Circa 1 metro	Polvere o filo speciale
Laser PBF	da 0,1 a 0,5 chilogrammi all’ora	Non più di 300 millimetri	Polvere finemente atomizzata

Nessuna attrezzatura e nessun tempo di attesa per gli stampi

L'industria manifatturiera pesante tradizionale si basa sulla stabilizzazione degli stampi per grandi volumi. La fusione in sabbia industriale richiede alle fonderie di dedicare da sei a diciotto mesi alla progettazione, alla validazione e alla fresatura di complessi modelli in legno o metallo prima di versare anche una sola goccia di metallo liquido. L'investimento iniziale di capitale per questi stampi su misura supera spesso diverse migliaia di euro, rendendo di fatto economicamente insostenibile la produzione di piccoli volumi o la realizzazione di geometrie personalizzate in esemplare unico.

La produzione additiva ad arco elettrico consente di bypassare l’intera fase di realizzazione degli stampi nella catena di approvvigionamento. Poiché il software di pianificazione dei percorsi robotici gestisce la produzione direttamente da un file digitale di progettazione assistita da computer (CAD), il processo di produzione del primo pezzo fisico ha inizio nel giro di poche settimane anziché di mesi. L’eliminazione degli utensili su misura elimina i quantitativi minimi d’ordine, riduce il rischio finanziario per i team di approvvigionamento e consente rapide iterazioni di progettazione senza il rischio di costosi costi di scarto.

Produzione su larga scala di WAAM presso MX3D

La produzione conto terzi di grandi dimensioni richiede una struttura integrata in grado di gestire operazioni robotizzate ad alta capacità nel rispetto di rigorosi standard di qualificazione. MX3D dispone di un’infrastruttura specializzata, ottimizzata per l’esecuzione di progetti di stampa su larga scala nel rispetto di rigorosi protocolli di controllo qualità.

Specifiche tecniche del sistema M1

Per fornire alle aziende capacità produttive autonome e interne, MX3D offre il sistema robotico M1 chiavi in mano. La configurazione standard dell’M1 offre un ampio spazio di costruzione che misura 2200 millimetri di larghezza, 1400 millimetri di profondità e 1700 millimetri di altezza. Per i componenti che superano queste dimensioni standard, le configurazioni personalizzate ampliano la capacità di carico per gestire oggetti di grandi dimensioni con un peso fino a 750 kg.

Lo stabilimento operativo principale, situato ad Amsterdam, ospita oltre 15 robot specializzati nella produzione additiva ad arco elettrico. Questa infrastruttura centralizzata gestisce cicli di produzione automatizzati ininterrotti 24 ore su 24, 7 giorni su 7, offrendo alle industrie pesanti una risorsa di produzione conto terzi eccezionalmente scalabile, in grado di lavorare migliaia di chilogrammi di componenti metallici all’anno.

Progetti su larga scala di comprovata efficacia

La validazione primaria di qualsiasi tecnologia “near-net-shape” risiede nella sua storia di impiego sul campo. La pietra miliare storica del nostro track record nella stampa su larga scala è rappresentata dal ponte MX3D di Amsterdam. Questo progetto ha dimostrato con successo alle autorità di regolamentazione che la tecnologia ad arco elettrico è in grado di soddisfare in tutta sicurezza i rigorosi codici di sicurezza dell’ingegneria civile senza ricorrere alle tradizionali travi strutturali. Tra le altre realizzazioni di rilievo figurano il corpo valvola industriale da 750 kg, la girante Framatome e il dolium strutturale.

Oltre alle infrastrutture pubbliche, il nostro stabilimento ha realizzato con successo un’enorme girante in bronzo al nichel-alluminio del peso di 350 chilogrammi, progettata appositamente per le esigenti applicazioni del settore energetico. Realizzato in soli 9 giorni, questo componente industriale ha consentito di ridurre dell’80 per cento i tempi totali di approvvigionamento rispetto alla fusione convenzionale.

In una terza importante applicazione, il nostro team ha realizzato un morsetto strutturale per tubazioni completamente certificato, progettato per ambienti ad alta pressione nel settore petrolifero e del gas. Questo componente, fondamentale per la sicurezza, è stato sottoposto a rigorosi test non distruttivi (NDT) effettuati da enti terzi, dimostrando che le lavorazioni additive ad arco elettrico sono in grado di garantire la densità, le proprietà meccaniche e le omologazioni normative necessarie per sostituire i pesanti raccordi forgiati in zone di impiego ad alto rischio.

Materiali per la stampa 3D in metallo su larga scala

La scelta dei materiali di grado industriale determina le prestazioni di un componente pesante sottoposto a sollecitazioni strutturali, termiche e corrosive estreme. I processi di saldatura ad arco con filo su larga scala utilizzano fili di saldatura industriali standard, pienamente integrati nelle catene di approvvigionamento globali dei materiali.

Leghe per l'ingegneria primaria

Grado del materiale	Vantaggio tecnico fondamentale per i componenti di grandi dimensioni	Applicazione industriale tipica
SS316L e Duplex 2205	Eccellente resistenza alla corrosione e resistenza strutturale allo snervamento.	Nodi offshore ed elementi strutturali marittimi.
Duplex 2209	Eccezionale resistenza alla corrosione puntiforme localizzata in acqua di mare.	Collettori sottomarini e componenti di pressione per giacimenti petroliferi.
Acciaio al carbonio	Prestazioni meccaniche con un ottimo rapporto costo-efficacia per strutture di grandi dimensioni.	Strutture per l'edilizia pesante e attrezzature industriali su misura.
Inconel 625 e 718	Stabilità strutturale alle alte temperature e resistenza all'ossidazione.	Componenti per il settore energetico e recipienti a pressione industriali.
Alluminio (5356, 5183, 6063)	Ottimizzazione leggera per configurazioni personalizzate su larga scala.	Sovrastrutture navali e pannelli architettonici a forma libera.

Grazie all’utilizzo di fili di saldatura standard disponibili in commercio, i sistemi WAAM su larga scala riducono drasticamente i costi di approvvigionamento delle materie prime rispetto ai processi a letto di polvere, in cui le polveri atomizzate specializzate possono costare fino a venti volte di più al chilogrammo. Questo ecosistema aperto di materiali garantisce agli ingegneri la possibilità di passare alla produzione additiva utilizzando materiali metallurgici conosciuti e certificati.

A chi serve la stampa 3D in metallo su larga scala?

La produzione additiva su larga scala offre notevoli vantaggi strategici ai settori ad alta intensità di capitale, in cui i tempi di inattività degli impianti comportano un rischio finanziario enorme. Questa tecnologia mira a risolvere i colli di bottiglia della catena di approvvigionamento in quattro settori globali principali:

Marittimo

Il settore marittimo deve affrontare gravi vulnerabilità operative dovute alle lunghe catene di approvvigionamento dei pezzi fusi strutturali di grandi dimensioni. Quando un componente critico di una nave, come una pala dell’elica, un albero del timone specializzato o un nodo strutturale, si guasta, l’attesa di mesi necessaria per la produzione di un ricambio con metodi tradizionali costa agli armatori decine di migliaia di euro in perdite operative giornaliere. La stampa ad arco con filo metallico di grande formato risolve questa vulnerabilità producendo parti di ricambio su richiesta, fornendo componenti a piena densità e di qualità marina che eguagliano o superano le proprietà dei pezzi fusi.

Energia

Nei settori dell’estrazione di petrolio e gas, della raffinazione e della produzione moderna di energia elettrica, le apparecchiature devono resistere a pressioni elevate, sbalzi termici e fluidi corrosivi. I tempi di approvvigionamento tradizionali per corpi valvola pesanti, collettori sottomarini, flange di grandi dimensioni e recipienti a pressione su misura spesso causano ritardi nell’espansione degli impianti o negli interventi di manutenzione. La stampa ad arco elettrico accelera questi tempi, consentendo la produzione di componenti energetici con forma quasi definitiva e uno spreco minimo di materia prima, nel rispetto delle rigorose norme internazionali di progettazione dei recipienti a pressione.

Architettura ed edilizia

La progettazione strutturale moderna richiede sempre più spesso geometrie complesse e a forma libera, nonché nodi strutturali in acciaio altamente ottimizzati che la produzione convenzionale non è in grado di realizzare in modo economicamente vantaggioso. Combinando il movimento robotico con la generazione di percorsi utensile multiasse, la stampa ad arco con filo metallico consente agli ingegneri strutturali di realizzare elementi strutturali in acciaio su misura e nodi architettonici personalizzati direttamente a partire da coordinate digitali. La “Tresse Tower”, alta 6 metri, è una testimonianza permanente di come questo approccio garantisca libertà geometrica pur mantenendo l’integrità strutturale.

Difesa

I settori della difesa e dell’aerospaziale richiedono un’assoluta indipendenza della catena di approvvigionamento e capacità di modernizzazione rapida. Affidarsi a catene di approvvigionamento globali vulnerabili per la fornitura di enormi staffe strutturali, telai di trasporto o parti di ricambio per piattaforme di difesa obsolete comporta un rischio strategico significativo. La stampa robotizzata di grande formato consente alle organizzazioni del settore della difesa di creare centri di produzione localizzati e su richiesta, in grado di realizzare componenti pesanti a partire da fili metallici grezzi, riducendo la dipendenza da fonderie remote e accorciando drasticamente i tempi di logistica.

Domande frequenti

Qual è il componente metallico più grande che si può stampare in 3D?

Le dimensioni massime di un componente metallico prodotto tramite la produzione additiva ad arco con filo (WAAM) sono limitate quasi esclusivamente dalla portata fisica del braccio robotico industriale e dalla lunghezza del sistema di binari su cui si muove. I componenti stampati con la tecnologia WAAM possono raggiungere lunghezze superiori a diversi metri, come dimostrano le attrezzature industriali pesanti quali i recipienti a pressione e le coclee dei pulper, nonché elementi architettonici come il bar Cucuyo e la Dragon Bench.

Qual è la stampante 3D più grande del mondo?

Mentre i sistemi tradizionali di grande formato utilizzano imponenti telai a portale chiusi che costano milioni di euro, l’approccio su larga scala più accessibile si avvale di bracci robotici industriali multiasse montati su guide lineari. MX3D utilizza un’infrastruttura composta da oltre 15 sistemi robotici automatizzati all’interno del proprio stabilimento di produzione conto terzi di Amsterdam, offrendo un’area di produzione senza limiti e altamente scalabile, in grado di stampare parti strutturali con un peso fino a 20 tonnellate.

In che modo la stampa 3D in metallo su larga scala si confronta con la fusione e la forgiatura?

La fusione e la forgiatura tradizionali eccellono nella produzione ripetitiva su larga scala, ma presentano tempi di consegna molto lunghi, costi elevati per gli stampi su misura e un notevole spreco di materiale durante la lavorazione secondaria. La stampa ad arco con filo elimina i costi legati agli utensili su misura, riducendo i tempi di consegna iniziali da mesi a settimane. Inoltre, consente di ottenere un rapporto “buy-to-fly” significativamente più basso, depositando il materiale solo dove strutturalmente necessario e riducendo al minimo gli scarti di materia prima.

Quali materiali possono essere utilizzati per la stampa 3D in metallo su larga scala?

La tecnologia dell'arco con filo su larga scala è pienamente compatibile con un’ampia gamma di fili di saldatura standard disponibili in commercio. Tra questi figurano acciai al carbonio ad alta resistenza, acciai inossidabili strutturali come il 316L, acciai duplex e superduplex resistenti alla corrosione, leghe di alluminio leggere ad alte prestazioni e superleghe di nichel resistenti alle alte temperature come l’Inconel 625 e 718.

Quanto tempo occorre per produrre un componente metallico di grandi dimensioni con la tecnologia WAAM?

Il ciclo produttivo completo di un componente near-net-shape varia da pochi giorni a diverse settimane, a seconda esclusivamente del volume geometrico complessivo, del peso totale del pezzo e delle caratteristiche richieste del materiale. Poiché le celle robotizzate ad alta capacità raggiungono velocità di deposizione fino a 8 chilogrammi all’ora, la fase di stampa vera e propria è eccezionalmente rapida, consentendo al team di ingegneri di concentrarsi esclusivamente sulla post-lavorazione e sulla verifica della qualità.

Pronti a stampare su larga scala?

Il passaggio dei vostri progetti di produzione pesante dai tradizionali pezzi fusi e forgiati alla stampa 3D in metallo su larga scala richiede un partner esperto con comprovati successi sul campo. MX3D gestisce il principale impianto robotizzato di saldatura ad arco con filo in Europa, avvalendosi di un’infrastruttura composta da oltre 15 celle di produzione automatizzate operative 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per fornire componenti completamente certificati e quasi finiti ai settori più esigenti al mondo. Sia che abbiate bisogno di produrre un pezzo di ricambio unico e critico o di valutare l’acquisto di una cella di produzione interna avanzata, il nostro team offre un supporto tecnico completo, una qualità certificata e affidabile e tempi di consegna rapidi dalla nostra sede principale di Amsterdam.

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