Vipra AM di Caracol: quando la tecnologia nasce dall’applicazione
Il CIO Giovanni Avallone presenta la piattaforma di AM a metallo LFAM con stampa ad alta produttività e funzionalità di processo avanzate
Da oltre un decennio, l’azienda italiana Caracol sviluppa e perfeziona la sua tecnologia di manifattura additiva robotica su grande scala, prima con un focus sul segmento termoplastico e dei compositi (con la piattaforma Heron AM) e più recentemente con le capacità WAAM a metallo. L’ingresso ufficiale di Caracol nel wire arc additive manufacturing è arrivato nel 2024 con il lancio della piattaforma di stampa 3D a metallo robotica Vipra AM.
La soluzione Vipra AM è un sistema chiavi in mano altamente automatizzato, progettato per la produzione a metallo su grande scala. Sviluppata seguendo l’approccio application-first di Caracol, la stampante DED è pensata per risolvere le sfide dei produttori in settori come aerospaziale, automotive, energia, navale e architettura. Come vedremo più nel dettaglio, Vipra AM si afferma come punto di riferimento nel crescente segmento della LFAM a metallo, man mano che i produttori scoprono i vantaggi in termini di costi, tempi ed efficienza che la manifattura additiva può offrire per applicazioni che vanno dalla produzione near-net-shape alle attrezzature su grande scala.
Vipra AM, una categoria a sé
Vipra AM è un sistema di stampa 3D robotica basato su WAAM: costruisce strutture tridimensionali fondendo e depositando filo metallico attraverso un arco elettrico. Nel settore AM, la tecnologia WAAM è nota per la sua versatilità nei materiali, la capacità di lavorare su grande scala e gli elevati tassi di deposizione. Questi aspetti non sono esclusivi di Vipra AM, ma Caracol ha integrato una combinazione distintiva di software e hardware che rendono il sistema davvero unico nel suo genere.
Tra le caratteristiche più distintive c’è una testina di deposizione progettata per una “produttività estrema”. Nello specifico, Vipra AM integra una testina di stampa basata sulla tecnologia Cold Metal Transfer (CMT), che utilizza una sorgente di saldatura a basso calore per fondere il filo metallico (come leghe di alluminio e nichel). Questo approccio CMT consente tassi di deposizione elevati riducendo al minimo l’impatto termico e la distorsione del metallo, una capacità ideale per applicazioni su grande scala con tempi di consegna stringenti.
Un’altra caratteristica chiave della tecnologia WAAM di Caracol è l’architettura a nove assi. La maggior parte delle soluzioni WAAM concorrenti si basa su otto assi interpolati. L’aggiunta di un nono asse, sotto forma di slitta di posizionamento, facilita la gestione di pezzi grandi e pesanti. Senza di essa, gli operatori dovrebbero ricorrere a sistemi di sollevamento ausiliari come i muletti per movimentare i pezzi WAAM su grande scala. La slitta elimina la necessità di attrezzature ausiliarie all’interno della cella di stampa, rendendo le operazioni di carico e scarico più sicure e fluide.
Caracol ha integrato anche una serie di funzionalità avanzate per garantire la sicurezza degli operatori. La stampa WAAM comporta rischi legati alla gestione robotica, alle temperature elevate, alla saldatura ottica e ai potenziali fumi. Per questo l’azienda ha investito in un’infrastruttura di sicurezza completa, con caratteristiche come una cella chiusa con porta automatica. Questa porta garantisce una protezione ottica totale durante il processo di saldatura ed è dotata di sensori intelligenti che la rendono “un elemento di sicurezza attivo, non soltanto una barriera fisica”.
Il pavimento all’interno della cella di produzione è dotato di sensori che bloccano l’attivazione del sistema se un operatore si trova ancora all’interno. Una funzione che riduce i rischi e previene gli incidenti, particolarmente importante nei settori altamente regolamentati che devono produrre documentazione formale di valutazione del rischio.
Tra le altre funzionalità di sicurezza figurano un sistema di estrazione dei fumi e un sistema di sorveglianza (con illuminazione priva di ombre) che consente agli operatori di monitorare da vicino il processo di stampa a porta chiusa. Tutte queste funzionalità di sicurezza sono controllate e accessibili tramite un sistema centralizzato di interfaccia uomo-macchina (HMI).
“Abbiamo progettato ogni livello di sicurezza della cella Vipra AM in modo che funzionassero in sinergia”, ha dichiarato Giovanni Avallone, Chief Innovation Officer di Caracol. “Il pavimento con sensori integrati attiva un arresto immediato del sistema se viene rilevato un operatore all’interno, la porta automatica fornisce una schermatura ottica completa durante il processo ad arco, e l’HMI centralizzato lega tutto insieme in un’unica interfaccia di controllo. Nei settori ad alta regolamentazione dove la valutazione formale del rischio è obbligatoria, questo livello di integrazione non è opzionale.”
Monitoraggio avanzato del processo
Oltre alla capacità produttiva e alla sicurezza, la piattaforma Vipra AM è progettata per una produzione industriale affidabile, con una serie di strumenti e sensori per il monitoraggio del processo. Tra questi figurano sensori core integrati che supportano la produzione e la caratterizzazione del processo, oltre a una serie di strumenti opzionali che esploreremo più avanti.
Il cuore del sistema di monitoraggio modulare di Vipra AM è un pirometro che misura la temperatura di ogni strato stampato, o in punti specifici definiti dallo slicer. Questo sensore è integrato in un sistema di automazione a ciclo chiuso, sviluppato in collaborazione con Fraunhofer IAPT, che garantisce il mantenimento della finestra termica ottimale durante l’intero processo di stampa. In termini pratici, i dati termici del pirometro vengono immessi nel sistema di automazione, che regola automaticamente i tempi di attesa tra uno strato e l’altro per mantenere la temperatura di stampa ideale. Altri sensori core monitorano e misurano la geometria degli strati, lo sviluppo termico e il flusso di gas.
I clienti Vipra AM hanno anche la possibilità di aggiungere sensori per funzionalità supplementari e un monitoraggio del processo più robusto. La piattaforma è dotata, ad esempio, di un sistema di schermatura a gas inerte che si monta sulla torcia in meno di 30 secondi. Come sottolinea Caracol, questo componente aggiuntivo “consente di inertizzare localmente il materiale durante la stampa quando necessario, senza dover configurare un sistema di inerting fisso. Quando non è in uso, l’end effector rimane più compatto e agile.”
Altri strumenti opzionali includono una telecamera termica per la saldatura che produce mappe termiche dell’intera area di lavoro e può essere utilizzata per ricostruire la distribuzione della temperatura; un profilometro che utilizza la scansione 2D per acquisire i profili del cordone di saldatura per la caratterizzazione del materiale e la definizione di nuovi parametri di processo; e uno scanner 3D che acquisisce istantanee tridimensionali del pezzo durante la build per verificarne la precisione dimensionale rispetto al modello CAD.
“Quando si combinano un’architettura a nove assi, la deposizione CMT e il controllo termico a ciclo chiuso, si smette di parlare di singole funzionalità e si inizia a parlare di una capacità manifatturiera fondamentalmente diversa”, ha commentato Avallone. “I nostri clienti vedono i lead time passare da settimane a ore, gli scarti di materiale ridotti alla fonte e pezzi che in nessun altro modo sarebbero realizzabili. È questo il cambiamento che Vipra AM porta in campo.”
La stampa 3D che parte dall’applicazione
Pur potendo continuare a parlare delle varie funzionalità e capacità del sistema WAAM di Caracol, è importante ricordare che la tecnologia non esiste nel vuoto. L’intero processo di sviluppo AM a metallo di Caracol è stato guidato dalle esigenze degli utenti finali e dai requisiti specifici delle applicazioni: componenti di attrezzature su grande scala che beneficiano di geometrie complesse impossibili da ottenere con metodi sottrattivi, con lead time drasticamente ridotti, o pezzi finali che eliminano completamente le costose e dispendiose fasi di attrezzaggio.
In un caso d’uso particolarmente significativo, la tecnologia Vipra AM di Caracol è stata utilizzata per stampare in 3D il corpo di una valvola di campionamento in acciaio inox per lo specialista della riparazione navale JOME Engineering. Ricorrendo alla manifattura additiva a metallo invece della fusione tradizionale, JOME Engineering ha ridotto il lead time del pezzo da 60 giorni a sole 48 ore. Non solo: eliminando il processo di fusione per il corpo della valvola, l’azienda ha anche ridotto i consumi energetici e gli scarti di materiale grazie alla build near-net-shape.
La tecnologia ha trovato applicazione persino nel settore aerospaziale, storicamente tra i più esigenti, dove l’italiana Eligio Re Fraschini S.p.A. ha recentemente stampato in 3D un componente di attrezzatura per longheroni nell’ambito di un progetto pilota collaborativo. Il progetto, pensato per verificare la fattibilità di Vipra AM nella riduzione dei lead time e dei costi di produzione di uno stampo per laminazione in fibra di carbonio, ha dato esito positivo su tutti i fronti. Il pezzo stampato in 3D ha generato molto meno scarto rispetto ai metodi di attrezzaggio tradizionali ed è stato più rapido da realizzare grazie agli elevati tassi di deposizione di Vipra AM. Lo stampo stampato in 3D era anche il 50% più leggero rispetto alla controparte prodotta convenzionalmente, dimostrando come la tecnologia WAAM possa influire sulle prestazioni del pezzo oltre che sull’efficienza produttiva.
Nel settore della difesa, NP Aerospace ha recentemente utilizzato la soluzione WAAM a metallo di Caracol per produrre una sospensione e un supporto differenziale da 110 kg per il veicolo blindato Mastiff. Il pezzo, stampato in sole 60 ore, è un componente critico del veicolo e deve resistere a carichi dinamici, urti e ambienti ostili. Stampandolo in 3D, NP Aerospace non solo ha soddisfatto questi requisiti prestazionali, ma ha anche ottenuto una riduzione del lead time del 50%.
Questi casi d’uso sono solo un assaggio delle potenzialità del sistema Vipra AM di Caracol. La tecnologia è stata impiegata anche nella produzione di eliche marine su grande scala, serbatoi pressurizzati per satelliti vettore, componenti su misura per macchinari industriali, strutture di sospensioni e supporti differenziali automotive e molto altro.
Una soluzione industriale
In definitiva, questi casi d’uso dimostrano che scegliere una nuova soluzione produttiva può generare vantaggi straordinari: maggiore controllo sul design, pezzi consolidati su grande scala, lead time drasticamente accelerati, maggiore agilità nella supply chain e persino costi di produzione più bassi. Grazie alla combinazione unica di stampa ad alta produttività, automazione industriale e strumenti di monitoraggio del processo, il Vipra AM di Caracol sta mostrando ai settori adottanti tutto ciò che il WAAM può fare per loro.
