«Presso l’Apulia Repair Development Center lavoriamo su due tecnologie: la direct laser deposition e il cold spray. Si tratta di due metodiche che uniscono l’additive manufacturing a processi conosciuti già da decenni ma che soltanto negli ultimi dieci anni sono diventati così efficaci». Domenico Posa è il facility leader dell’Apulia Repair Development Center, un centro di eccellenza nato nel 2016 all’interno del Politecnico di Bari di concerto con Avio Aero.
L’azienda, che fa parte del gruppo General Electric dal 2013, ha proseguito in un percorso di innovazione e di progettazione con gli atenei che si sta declinando soprattutto lungo due filoni: l’additive manufacturing e l’additive repair, cioè la riparazione di singoli pezzi del velivolo tramite la tecnologia additiva. In una parola: è il percorso di Avio Aero verso il remanufacturing. Un business che in Europa vale 30 miliardi e arriverà a 100 nel 2030 e che, come Industria Italiana ha scritto qui e qui, rappresenta la prossima rivoluzione industriale. E che riguarda molti settori, tra cui automotive, aerospazio ed aerospazio. Il remanufacturing recupera, rigenera e riutilizza interi componenti di un apparato o di un veicolo, con vantaggi per il produttore (che guadagna di più), il consumatore finale (che spende di meno), l’occupazione e l’ambiente.
Il primo settore è l’aerospaziale, che genera 12,5 miliardi dei 30 di valore complessivo di cui si è parlato in precedenza. È chiaro che l’aerospaziale ha le migliori caratteristiche richieste perché il Reman funzioni: i componenti utilizzati sono molto capital intensive, durano anni e hanno un ciclo di vita relativamente lungo. Il remanufacturing vale (da ora in poi questo criterio lo chiameremo intensità) 11,5% del fatturato, viene eseguito da 1000 aziende e coinvolge a vario titolo 71mila lavoratori. Segue l’automotive, che vale 7,4 miliardi, cioè abbastanza poco rispetto al giro d’affari del settore in gioco, e infatti l’intensità è appena dell’1,1%. Poi i macchinari con 1 miliardo e i mobili con 300 milioni. Molto significativo il legame fra remanufacturing e le nuove tecnologie che in Italia vengono talvolta genericamente messe sotto il cappello “rivoluzione 4.0”. Cioé IoT e Interconnessione, Big Data, manifattura additiva, digital twin e simulazione. Si pensi solo al fatto che prodotti e componenti sensorizzati consentono di conoscere le caratteristiche del loro ciclo di vita (Big Data generati dai sensori e poi analizzati da intelligenze artificiali) e quindi di poterne gestire meglio la riusabilità. Per quanto riguarda la manifattura additiva, è evidente il ruolo che può avere nella rigenerazione di componenti, soprattutto se costosi e durevoli. Ciò avviene ampiamente nel modo dell’aerospaziale.
Il centro pugliese non è ovviamente una fabbrica, ma un centro di sviluppo di singole soluzioni che vengono poi industrializzate da Avio Aero una volta confermata la funzionalità. Una partnership che è principalmente rivolta alle aziende del Gruppo General Electric, ma che potrebbe eventualmente estendersi anche ad altri player, come Rolls Royce o Pratt Whitney. Un’altra innovazione portata avanti nel centro di Cameri, in provincia di Novara, riguarda la creazione di motori che abbiano un numero crescente di componenti realizzati tramite tecnologia additive. È il caso del motore Catalyst, che raggiunge quasi il 30% di materiali stampati in sede, un record per il comparto. Ma gli occhi del mondo aerospaziale sono, ovviamente, puntati sul Coronavirus e sulle conseguenze che questa pandemia potrebbe portare sul settore. Da questo punto di vista, le previsioni Iata sono incoraggianti, con un ritorno abbastanza rapido ai volumi pre-Covid.
Avio Aero sta “esplorando” il mondo circostante in due direzioni. La prima è verso i materiali che diano nuove capacità, come ad esempio la maggiore resistenza al calore o una aumentata leggerezza. La seconda direttrice è la ricerca di nuovi materiali per l’additive manufacturing, che è oggi fortemente limitato da un numero esiguo di componenti che possono essere utilizzati per la realizzazione delle polveri. Si sta lavorando per la creazione delle leghe intermetalliche, come quella tra titanio e alluminio che oggi non esistono perché non sono lavorabili con tecnologie tradizionali ma che potrebbero essere gestite tramite additive.
L’Apulia Repair Development Center
L’ateneo pugliese ha una lunga partnership con Avio Aero, con cui già nel 2010 ha avviato una joint venture, un laboratorio pubblico-privato per lo sviluppo del “More electric aircraft”, ovvero applicazioni per incrementare la potenza elettrica degli aerei. «I velivoli – prosegue Posa – hanno necessità crescente di elettricità per l’intrattenimento, per la ricarica tramite Usb, per questo serve incrementare questa componente. Dal 2016, poi, il centro si occupa fondamentalmente di riparazione di componenti aeronautici tramite additive manufacturing. Si tratta di modalità non standard che necessitano di una componente significativa di ricerca e sviluppo, per questo ci siamo associati con il Politecnico, che fornisce 10 tra consulenti e ricercatori mentre Avio Aero garantisce 4 figure full time. Ci stiamo concentrando su due tecnologie principali: la direct laser deposition, un metodo ad alte temperature per la posa di polveri di metalli dove la saldatura non è sufficiente; il cold spray, una tecnologia fredda in cui delle particelle di materiale vengono accelerate per la ricostruzione dimensionale di pezzi da riparare».
La saldatura di una lamiera che, come si dice in gergo, si è “criccata” non è certo una novità per il mondo dell’aerospazio, dove i pezzi vengono riparati saldandoli da almeno una sessantina d’anni. La differenza è che con il laser si uniscono due componenti: l’apporto di calore e l’additive manufacturing. Anche il cold spray e le metodiche che comportano un riporto freddo non sono certo nuove, anzi esistono dagli anni ’60. Ma è soltanto negli ultimi dieci che si è registrata una decisa accelerazione.
«Il nostro centro – aggiunge Posa – propone all’industria soluzioni chiavi in mano, cioè da una metodica di riparazione creiamo tutto il ciclo di sviluppo. A noi interessa essere efficaci su un singolo pezzo e sulla corretta riparazione, poi i vari siti di Avio Aero e General Electric si preoccupano dell’industrializzazione, cioè dello sviluppo di questo repair in ottica industriale. Ovviamente non si decide di riparare qualunque cosa, ma si parte da un business case ben preciso in cui c’è una logica di costo e di risparmio. Un conto è riparare delle pale o delle turbine, un conto delle rondelle. Nel secondo caso non avrebbe alcun senso. Le nostre soluzioni sono al momento unicamente destinate ad Avio Aero, che è di proprietà di GE dal 2013. Quando sono arrivati, non hanno fatto “tabula rasa”: in passato eravamo fornitori di Rolls Royce o Pratt Whitney. Con tutte le dovute accortezze, se ci dovessero chiedere lo sviluppo di queste tecnologie, noi saremmo in grado di farlo. Non siamo solo una costola di GE, ma ci sono dei programmi dedicati alle terze parti che vanno avanti».
Direct laser deposition
I processi di produzione additiva basata su laser possono essere utilizzati per generare parti funzionali (o prototipi) da zero tramite rivestimento a livello di strato – fornendo l’opportunità di generare parti di forma complessa, funzionalmente classificate o personalizzate che possono essere utilizzato per una varietà di applicazioni di ingegneria. Directed Energy Deposition (Ded), utilizza una fonte di calore concentrata, che può essere un raggio laser o elettronico, con erogazione in situ di materiale a forma di polvere o filo per la successiva fusione per realizzare la fabbricazione di parti strato per strato o single-to – rivestimento / riparazione multistrato. La Direct laser deposition, una forma di Ded, è stata ampiamente studiata negli ultimi anni in quanto fornisce il potenziale per prototipare rapidamente parti metalliche; produrre parti complesse e personalizzate; rivestire o riparare componenti metallici; fabbricare o riparare in luoghi remoti o logisticamente deboli. Questi processi stanno attualmente dimostrando la loro capacità di rivoluzionare l’industria manifatturiera; abbattere le barriere imposte attraverso processi tradizionali di lavorazione dei metalli “sottrattivi”. «Quello che noi stiamo facendo – argomenta Posa – è una sorta di saldatura con materiali proprietari Avio Aero. Solo che si tratta di interventi in cui la saldatura tradizionale non sarebbe efficace, ma il laser additivo ci permette di raggiungere risultati decisamente superiori».
L’Apulia Repair Development Center @ Politecnico di Bari
Cold Spray
La tecnologia del cold spray è concettualmente molto semplice. Si tratta dell’accelerazione di particelle di polvere metallica in uno speciale dispositivo. In questo modo si va a impattare sul componente che si vuole rivestire e la particella di polvere si “spiaccica” sull’oggetto della riparazione, aderendo in modo ottimale. «Per alcune applicazioni – ci spiega Posa – non alterare termicamente il pezzo è fondamentale. In questo modo non c’è sviluppo di calore. Ci sono altre tecnologie di ricostruzione che usano il plasma, cioè un fluido molto caldo che fonde le particelle. Ma per materiali come l’alluminio è decisamente più indicato il cold spray per la velcoità con cui si raggiungono i risultati».
Additive manufacturing
General Electric è pioniera nella manifattura additiva e soprattutto nello sviluppo di questa tecnologia per il motore, un turbo propulsore a elica per aerei di piccole dimensioni. «Per la prima volta – racconta Posa – un numero significativo di pezzi di un motore viene realizzato tramite additive manufacturing, addirittura creando intere pale di turbine. Il Catalyst è attualmente il motore che ha più componenti creati con la manifattura additiva, quasi il 30% dell’intero propulsore. A Cameri, in provincia di Novara, è presente uno stabilimento dedicato alla produzione in serie, non più prototipale. Lì stiamo realizzando e riparando pale con additive manufacturing. E anche il sito di Brindisi si sta dedicando in parte alla realizzazione di componenti additive per il motore Catalyst».
Avio Aero e l’additive manufacturing
Il centro di Cameri
Lo stabilimento di Cameri è simile a quanto avviene in Puglia con l’Apulia Repair Center. In questo caso la collaborazione è stata con il Politecnico di Torino e ha dato origine a una start-up, che poi è divenuta una joint venture. Lo stabilimento è stato inaugurato cinque anni fa come Innovation Center per far “maturare” la tecnologia additive. Negli anni, poi si è testato il mercato realizzando componenti statici e rotanti nel settore aeronautico, componenti automotive per il racing, ma anche componenti medicali tramite due tecnologie, la fusione laser e a fascio di elettroni. E la seconda è stata quella scelta al termine del processo, utilizzata per la produzione di componenti rotanti in polvere di titanio alluminio che, per le loro caratteristiche, sono scarsamente producibili con tecnologie tradizionali. A quel punto è iniziata la trasformazione di Cameri da Innovation Center a vera fabbrica installando le macchine di stampa che oggi stanno producendo migliaia di palette per il quinto e sesto stadio della turbina di bassa pressione del GE9X.
La cosa fondamentale, per Avio Aero, è stato comprendere che la tecnologia additive non può competere con la produzione tradizionale. Ma se quest’ultima non permette di ottenere il prodotto necessario, allora si può fare ricorso alla tecnologia additiva. Una tecnologia che risulta vincente in quanto i costi di produzione dipendono esclusivamente dalla quantità di polveri utilizzate e dal tempo macchina, e non dalla complessità dell’oggetto disegnato. Pertanto questa scissione del rapporto proporzionale tra complessità e costo, che solitamente caratterizza la tecnologia tradizionale, dà la libertà al progettista di disegnare componenti o prodotti più o meno articolati che non potrebbe disegnare con tecnologie standard poiché risulterebbero onerosi.
La Brilliant Factory
Sia il centro di Cameri che quello di Brindisi sono identificati come Brilliant Factory da Avio Aero, ovvero una factory connessa dove tutti gli step della progettazione e della produzione sono tracciati digitalmente, i dati sono raccolti in un unico repository (il data lake) dal quale si accede per analisi di tutti i tipi sui processi di progettazione e produzione, monitorando ad esempio lo stato e le performance di ogni macchina. Lo stabilimento di Cameri e la nuova area dedicata all’additive manufacturing nello stabilimento di Brindisi sono riconducibili a questo paradigma. E altri stabilimenti del gruppo seguiranno questa strada, anche se, ovviamente, non può essere un processo rapido o automatico. Uno dei primi interventi che è stato fatto è la connessione delle macchine, in modo da monitorare in tempo reale lo stato di efficienza. Il secondo passaggio è l’introduzione di software che le rendano smart e quindi in grado di digitalizzare i dati di produzione per poi trasmetterli al reparto ingegneristico.
Manutenzione predittiva e l’impatto del Covid
Nel mondo pre-Covid il numero di voli era in costante aumento, tanto che le attività di repair tramite additive manufacturing erano in costante incremento. «Eravamo in difficoltà – spiega Posa – perché il numero di ore volate cresceva costantemente e la quantità di pezzi da riparare aumentava in maniera esponenziale. Ora ovviamente i voli civili si sono ridotti in maniera notevole, ma si parla di ripresa e, per esempio, non ci siamo fermati un attimo, perché ovviamente l’obiettivo è essere pronti. La tematica del repair rimane di fondamentale importanza e la manutenzione predittiva ha avuto un grande sviluppo con i big data, che consentono di prevenire i “failure” e di capire quali sono componenti migliori su cui sviluppare le riparazioni tramite additive. La prognostica delle flotte sta camminando a passo da gigante e le macchine che ci parlano sono il futuro».
Secondo la Iata una ripresa dei voli a livelli pre-Coronavirus ci sarà, anche se i tempi non sono ancora certi. È naturale che le misure di contenimento e la loro durata sono particolarmente impattanti sul comparto. Ma la consapevolezza – e non solo la speranza – è che si tornerà ai livelli del 2019.
Avio Aero
Avio Aero è un business di GE Aviation che opera nella progettazione, produzione e manutenzione di componenti e sistemi per l’aeronautica civile e militare. Oggi l’azienda mette a disposizione dei suoi clienti innovative soluzioni tecnologiche per rispondere velocemente ai continui cambiamenti richiesti dal mercato: additive manufacturing, rapid prototyping ma anche tecnologie dedicate alla produzione di trasmissioni, turbine e combustori. La sede principale dell’azienda è a Rivalta di Torino, dove c’è anche il più grande insediamento produttivo, altri importanti stabilimenti sono a Brindisi e Pomigliano d’Arco (Napoli) per un totale di oltre 4.600 dipendenti impiegati in Italia mentre, all’estero, ha uno stabilimento produttivo in Polonia che conta oltre 600 dipendenti.
