L’adozione dell’additive manufacturing in aeronautica, seppure sia ancora da esplorare, offre diversi vantaggi. C’è un progetto europeo a guida italiana che intende abbinare materiali compositi e in 3D per realizzare aerei di nuova generazione, più leggeri e sostenibili, e creare una filiera completa anche per il riuso delle parti.
Come dovranno essere pensati gli aerei del futuro? Sicuri, performanti, di certo più sostenibili. In questo senso, l’impiego di tecnologie avanzate, come l’additive manufacturing in aeronautica, può contribuire a realizzare strutture più leggere e resistenti, riducendo consumi ed emissioni.
Il trasporto aereo genera dal 2 al 3% delle emissioni globali di CO2 e il suo impatto climatico complessivo è almeno il doppio rispetto a quello associato alla sola anidride carbonica, si legge nel testo della Direttiva UE 2023/958. Nel segmento trasporti, quello aereo è la seconda voce di impatto climatico più significativa dopo il trasporto su strada.
La sostenibilità, che comprende la necessità di ridurre le emissioni, passa anche da modalità diverse di produzione, finalizzate a diminuire l’impiego di materie prime, sfruttando e riutilizzando quanto già c’è. Tutte queste necessità, non semplici da conciliare, sono al centro del lavoro della ricerca.
A questo proposito, è stato avviato un progetto europeo che intende sviluppare nuove tecniche per l’integrazione di materiali compositi in fibra di carbonio e metallici realizzati mediante additive manufacturing. Si chiama MIMOSA, è coordinato dal Politecnico di Torino e assomma sei attori industriali e due centri di ricerca.
La sua finalità è duplice: dal lato tecnologico, vuole sviluppare nuove tecniche per combinare materiali differenti. Sotto il profilo realizzativo e gestionale, vuole porre le basi per una filiera progettuale e produttiva completa, in grado di integrare tutti gli aspetti utili a realizzare velivoli più sostenibili, dalla progettazione al “fine vita”.
Il ciclo produttivo comprende, infatti, anche la rigenerazione di materie prime per il riuso al termine del servizio, adottando tecnologie innovative.
Takeaway
I benefici dell’impiego dell’additive manufacturing in aeronautica
Sono diversi i vantaggi offerti dall’utilizzo dell’additive manufacturing in aeronautica. Nell’articolo “Additive manufacturing in the aerospace and automotive industries: Recent trends and role in achieving sustainable development goals”, un team di ricercatori del Sustainable Energy & Power Systems Research Centre della University of Sharjah (Emirati Arabi Uniti) ha posto in evidenza il vantaggio offerto dalla stampa 3D nell’industria automobilistica e aerospaziale.
In termini di riduzioni delle emissioni di CO2 e del consumo di energia, i benefici percentuali stimati variano dal 38% al 75%. La manifattura additiva permette di ridurre l’impiego di materiali e di scarti. La sua adozione si rivela interessante anche per concepire velivoli con prestazioni ancora più avanzate di quelle tradizionali.
A tale riguardo, è esemplare lo studio dell’Air Force Research Laboratory riguardante la progettazione, la stampa, la costruzione e il lancio della prima camera di spinta di un motore a razzo monobloccoprodotta in modo additivo.
Tra le grandi società produttrici aeronautiche, la statunitense Boeing da tempo l’impiega. Per il suo aereo di linea 777X ha deciso di adottare GE9X, il motore a reazione più grande e potente sul mercato dell’aviazione commerciale: esso contiene più di 300 parti metalliche prodotte mediante additive manufacturing [fonte:GE Aerospace].
Anche la multinazionale europea Airbus adotta l’additive manufacturing in aeronautica, per realizzare parti di aerei ed elicotteri. Inoltre, è l’autrice della prima stampante 3D al mondo in metallo per lo spazio, sviluppata per l’Agenzia spaziale europea.
Lockheed Martin da tempo ha avviato una collaborazione con Sintavia, specialista nella progettazione additiva e nella produzione di componenti avanzati per applicazioni aerospaziali e di difesa, per espandere la ricerca sulla produzione additiva in metallo.
La brasiliana Embraer realizza diverse parti della flotta dei propri velivoli di punta con la stampa 3D proprio per i vantaggi offerti: grazie all’impiego dell’additive manufacturing, la società ha fatto sapere che molte parti degli aerei E-Jet E2 family ora pesano fino al 40% in meno.
Il settore aereo in Europa e il progetto MIMOSA
L’Unione Europea si è posta da tempo l’intenzione di ridurre l’impatto emissivo di svariati settori, per raggiungere l’obiettivo Net Zero al 2050. Attraverso la già citata Direttiva UE 2023/958, ha aggiornato le disposizioni di Emission trading system (Ets) per il trasporto aereo.
È una decisione rilevante, tenuto conto del valore che ha il settore dell’aeronautica civile nell’UE, in termini occupazionali (conta 405mila posti di lavoro) ed economici con entrate per 130 miliardi di euroe un ruolo di primo piano nelle esportazioni, pari a 109 miliardi di euro. Inoltre, è un’importante voce in termini di ricerca e sviluppo. La spesa R&D da parte dell’industria e dei governi è stata stimata a 8 miliardi di euro nel 2019 [fonte: Commissione UE].
Tra i programmi di ricerca dedicati, va segnalato il progetto europeo MIMOSA (Multimaterial airframes based on 3D joints between AM metals and carbon-fiber composites). Avviato nel 2022, si concluderà nel 2025.
Coordinato dal Politecnico di Torino, conta su un contributo finanziario UE di quasi 5,5 milioni di euro. Il progetto, come detto, intende sviluppare nuove tecniche per l’integrazione di materiali compositi in fibra di carbonio e materiali metallici realizzati mediante additive manufacturing in aeronautica.
Additive manufacturing in aeronautica: gli elementi tecnologici innovativi
Come segnalato dal coordinatore del progetto, il professor Giorgio De Pasquale, responsabile dello Smart Structures and Systems Lab presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (DIMEAS) del Politecnico di Torino, il progetto, per le sue caratteristiche, si presta a supportare efficacemente le future evoluzioni del settore aeronautico.
In particolare, è interessante per i velivoli a propulsione ibrida (elettrico e idrogeno), che richiedono strutture più leggere a parità di resistenza, per compensare i pesi extra di serbatoi e batterie.
L’impiego dell’additive manufacturing per l’aeronautica trova spazio in MIMOSA: «l’uso congiunto di materiali compositi e metalli stampati in 3D è una novità su cui stiamo lavorando. A livello produttivo, non è stato ancora adottato perché sussistono vincoli normativi stringenti che regolano in modo dettagliato l’adozione di questa soluzione tecnologica nel settore aeronautico. La prima innovazione che stiamo cercando di concretizzare è legata proprio all’aspetto normativo: intendiamo mettere a punto delle linee guida che consentano di svolgere la validazione, la qualifica e l’omologazione di questa tecnologia».
A livello tecnico, i partner del progetto hanno messo a punto una giunzione concepita in modo totalmente diverso da quelle tradizionali, basate sulle rivettature o – talvolta sui piccoli velivoli o sugli ultra leggeri – su incollaggi. «Nel caso di MIMOSA, vengono sostituite da un co-stampaggio tra la parte metallica e la parte in composito, debitamente connesse», specifica De Pasquale.
Durante il progetto, si realizzerà, per la prima volta, un prototipo di un componente strategico qual è lo stabilizzatore di coda verticale di un aereo passeggeri, realizzato con questa tecnica di giunzione, «in modo totalmente rispettoso delle linee guida per l’omologazione e la certificazione per l’aeronautica, utilizzando materiali già qualificati per il comparto».
Questo componente strutturale suscita interesse in quanto, tradizionalmente, è collegato tramite numerosi rivetti che possono essere eliminati grazie alla tecnologia messa a punto dal team di progetto.
Uso e riuso, il futuro circolare dei velivoli e dei componenti
L’aspetto della sostenibilità è sottolineato più volte nel progetto coordinato dal Politecnico di Torino. Si prevede, già in fase di progettazione delle strutture del velivolo, anche il loro riciclo, dopo l’utilizzo.
«È più corretto parlare di rigenerazione dei materiali. Dopo la separazione del composito dal metallo, a fine servizio, verranno rispettivamente avviati a due linee parallele. Per il composito, viene avviata al riciclo tradizionale, che comporta la creazione di parti che diventano additivi per nuovi componenti polimerici. La parte, invece, più innovativa è sul metallo, perché gli scarti vengono sottoposti all’atomizzazione, processo che consente di generare polvere metallica dagli scarti e impiegarla quale materia prima secondaria nella stampa 3D, facendola rientrare così nel ciclo produttivo».
C’è poi un ulteriore impatto riguardante la sostenibilità, in termini di ripensamento della filiera concepita con questa giunzione. Attualmente, le strutture aeronautiche sono realizzate con materiali diversi, su linee produttive (composito e laminato metallico) e filiere differenti.
Questo si traduce in uno spostamento di parti e la conseguente necessità di trasporto, di consumi energetici e di emissioni. Se, invece, viene combinata, come nel caso della tecnologia MIMOSA, consumi ed emissioni si riducono drasticamente.
Glimpses of Futures
Le potenzialità di impiego dell’additive manifacturing in aeronautica sono rilevanti, ma ci sono ancora alcuni aspetti da migliorare e approfondire per garantire un suo ampio sviluppo.
Al fine di anticipare possibili scenari futuri, proviamo ora a delineare – impiegando la matrice STEPS – gli impatti che l’adozione di questa tecnologia per la progettazione e la realizzazione dei velivoli del futuro, potrebbe avere su più fronti.
S – SOCIAL: l’adozione progressiva della manifattura additiva creerà nuove opportunità di lavoro, sotto forma di figure specializzate nelle tecnologie di stampa 3D, nella progettazione, ingegnerizzazione e manutenzione. Un esempio: la statunitense GE Aerospace, tra le più importanti realtà produttrici di motori aeronautici a livello mondiale, ha annunciato, lo scorso marzo, di voler investire 650 milioni di dollari nell’anno in corso per rafforzare gli impianti di produzione e la catena di fornitura, 150 milioni dei quali saranno destinati alla produzione in 3D. All’investimento tecnologico fa seguito la richiesta di assunzione di più di mille dipendenti. Un’ulteriore, potenziale, leva sociale è legata alla produzione decentralizzata, favorita dalla stampa 3D, che può stimolare economie locali e Pmi a lavorare per il settore aeronautico e aerospaziale. Inoltre, favorisce lo sviluppo di nuove realtà innovative, come startup dedicate.
T – TECHNOLOGICAL: la manifattura additiva è una tecnologia relativamente giovane e di forte interesse in termini di ricerca e innovazione. Secondo un rapporto pubblicato lo scorso settembre dallo European Patent Office, le invenzioni sulla stampa 3D hanno registrato un’impennata tra il 2013 e il 2020. Le famiglie di brevetti internazionali nelle tecnologie di stampa 3D sono cresciute a un tasso medio annuo del 26,3%, un tasso «quasi otto volte più rapido rispetto a tutti i campi tecnologici messi insieme nello stesso periodo» [fonte: EPO].
E – ECONOMIC: il mercato globale della produzione additiva per il settore aerospaziale (di cui fa parte il settore aeronautico) e della difesa, valutato a 3,58 miliardi di dollari nel 2020, è previsto che raggiungerà i 13 miliardi di dollari entro il 2028 [fonte: Fortune Business Insight]. Gli impatti economici positivi si possono misurare anche in termini di riduzione dei tempi e di efficienza produttiva, nonché di risparmio di carburante.
P – POLITICAL: l’Unione Europea ritiene la manifattura additiva il motore dell’evoluzione industriale dell’UE. Proprio per questo, una delle task force che compongono il Forum industriale, parte integrante della strategia industriale europea avviata nel 2020, ha collaborato con stakeholder esterni per fornire consulenza utile all’adozione delle tecnologie e dei processi AM da parte dell’industria europea. La task force ha pubblicato il suo rapporto nel 2023, in cui ha fornito raccomandazioni alla Commissione europea per accelerare l’adozione di tecnologie di produzione avanzate, oltre a evidenziare i vantaggi dell’additive manufacturing e della tecnologia pulita per la decarbonizzazione dell’economia europea [fonte: Commissione UE]. Per quanto riguarda gli USA, nel 2022 il Presidente Biden ha avviato l’Additive Manufacturing Forward (AM Forward), insieme a cinque produttori nazionali. Si tratta di un accordo volontario tra Governo e grandi produttori per aiutare i loro fornitori più piccoli americani ad aumentare l’uso della produzione additiva. Questo programma ha portato quest’anno all’approvazione, da parte della US Small Business Administrator, e all’avvio della raccolta di capitali privati per un fondo SBIC (Small Business Investment Company) dedicato al Forward Manufacturing (AM) Additive Manufacturing. I fondi SBIC gestiscono più di 42 miliardi di dollari in capitale privato e sostenuto da SBA , fornendo investimenti azionari e prestiti a lungo termine a piccole imprese in svariati settori [fonte: White House].
S – SUSTAINABILITY: l’impatto ambientale prodotto dall’adozione dell’additive manufacturing è sensibile. Nel caso già citato della Embraer, l’impiego dell’AM termoplastica ha sostituito il processo manuale e meccanico per la realizzazione di parti e componenti, riducendo del 50% i tempi di produzione e generando il 65% di rifiuti in meno, evitando ai dipendenti di venire in contatto con i composti organici volatili. Si stima che, rispetto ai processi produttivi tradizionali, la manifattura additiva potrebbe ridurre i costi dei rifiuti e dei materiali di quasi il 90% e dei consumi energetici del 25% [fonte: Department of Energy].
