Guida alla tecnologia di stampa 3D in metallo WAAM

La Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) appartiene alla categoria delle tecnologie di stampa 3D a deposizione diretta di energia (DED). La tecnologia DED è una tecnica di stampa 3D in metallo che prevede il deposito di un materiale metallico in polvere o in filo su un piano, utilizzando un ugello montato su un braccio multiasse. Una fonte di energia focalizzata, ad esempio un raggio laser o elettronico, viene utilizzata per fondere il materiale mentre viene depositato sul piano. Nel caso del WAAM, come fonte di calore viene utilizzato un arco elettrico, ispirato alla tecnica di saldatura ad arco.

La tecnologia WAAM si basa sul principio di diverse tecniche di saldatura automatizzate che utilizzano sistemi robotizzati: Metal Inert Gas (MIG), ovvero sotto gas inerte; Metal Active Gas (MAG), ovvero sotto gas attivo; sotto gas inerte di tungsteno (TIG) o saldatura al plasma (PAW). Esiste anche il processo di saldatura Cold Metal Transfer (CMT), derivato dal MIG e creato da Fronius nel 2004. Diversi metalli sono compatibili con il WAAM. Tra questi, il titanio, l’alluminio, il nichel e le leghe di acciaio.

L’elica stampata in 3D da Naval Group ( crediti foto: Naval Group)

Applicazioni della tecnologia WAAM

Il WAAM viene spesso utilizzato per riparare apparecchiature e riprodurre parti non più prodotte, al fine di manutenere le macchine più vecchie. Tuttavia, questa tecnologia può essere anche adottata per la produzione di parti complete. Il processo WAAM trova applicazione soprattutto nei settori aeronautico, aerospaziale, automobilistico, energetico e della difesa. Viene utilizzato per produrre prototipi, stampi, pezzi singoli e piccole serie. L’impiego per la produzione di massa è ancora in fase di studio.

Ecco alcuni esempi: nel settore aeronautico, Naval Group ha utilizzato la tecnologia WAAM per fabbricare un’elica destinata alla nave cacciamine Andromède. Nel settore dell’energia, Vallourec ha impiegato il WAAM per produrre il primo anello di tenuta destinato a garantire la sicurezza delle installazioni idroelettriche di EDF Hydro, con un diametro di un metro e un peso di 100 kg. Per quanto riguarda il settore robotico, la società MX3D ha utilizzato questa tecnologia per realizzare un connettore strutturale in acciaio. MX3D ricorre anche al WAAM per la fabbricazione di connettori per tubi per l’industria petrolifera e del gas, nonché per ingranaggi e componenti su misura per grandi macchine. MX3D ha anche fabbricato un ponte ad Amsterdam grazie al processo WAAM! Inoltre, la società Relativity Space ha utilizzato questa tecnologia per costruire il razzo Terran 1.

Il connettore in acciaio Takenaka, una delle aziende di architettura più importanti del Giappone. (crediti foto: MX3D)

Vantaggi del processo WAAM

La tecnologia di stampa 3D WAAM presenta una serie di vantaggi. In primo luogo, la velocità di stampa è elevata, quindi ha un impatto positivo sui tempi di produzione. Anche i costi sono ridotti rispetto alle macchine che utilizzano tecnologie di fusione a letto di polvere, in particolare la Selective Laser Melting (SLM). La tecnologia WAAM si distingue anche per la capacità di produrre pezzi di grandi dimensioni. Come già detto, esiste anche un’ampia gamma di metalli compatibili.

Vallourec utilizza la tecnologia WAAM per le centrali EDF (crediti foto: Vallourec)

Limiti del processo WAAM

Il processo WAAM presenta anche dei limiti. Dato che permette di stampare più rapidamente, i dettagli e il rispetto delle dimensioni delle parti sono meno precisi rispetto alle tecnologie di fusione a letto di polvere. I pezzi prodotti con la tecnologia WAAM possono presentare difetti come porosità interne. Ciò rischia di degradare le proprietà meccaniche dei pezzi, sia in statica che in fatica. Questo è particolarmente vero per le parti in alluminio.

Le tensioni residue costituiscono un’altra anomalia che può comparire con la tecnologia WAAM. Esse rischiano di causare una deformazione delle dimensioni e della forma del pezzo, soprattutto attraverso fenomeni di curling, warping o delaminazione. Tutti questi fenomeni si caratterizzano per una deformazione di alcuni strati del pezzo stampato, sia degli strati superiori che inferiori. Queste deformazioni sono causate dalla temperatura di lavoro molto elevata e dalla tecnicità dei materiali. Il risultato è che il pezzo non si tiene insieme correttamente quando si esercita una forza su di esso.

Per limitare l’apparizione di questi difetti, è necessario conoscere tutti i parametri del WAAM al fine di regolarli al meglio. In questo modo si garantisce che il metallo fuso venga depositato in modo uniforme e che il calore sia costante. La velocità di avanzamento, la corrente, la tensione, lo spessore dello strato, la portata del gas di protezione e la distanza tra i cordoni sono tutti fattori essenziali per garantire il corretto svolgimento del processo.Tuttavia, esistono anche soluzioni tecniche per attenuare queste anomalie. Citiamo, ad esempio, l’incrudimento o rolling. Questo metodo consiste nell’esercitare una pressione sul cordone di saldatura mediante un rullo durante la fase di raffreddamento. In questo modo si limita la porosità. Per ridurre le tensioni residue, è possibile preriscaldare il materiale.

Va inoltre menzionata la necessità di realizzare un significativo post-processing di finitura, come per le altre tecnologie di produzione additiva. Il post-processing viene effettuato tramite un processo di lavorazione tradizionale. In alcuni casi di utilizzo della tecnologia WAAM, la lavorazione può essere eseguita durante la fase di stampa, tramite un secondo robot.

Produttori di stampanti 3D WAAM

Una stampante 3D MX3D che utilizza la tecnologia WAAM (crediti foto: MX3D)

Tra i principali produttori di stampanti 3D con tecnologia WAAM troviamo Prodways, le cui stampanti 3D funzionano con il processo WAAM-TIG, Norsk Titanium con il suo processo proprietario Rapid Plasma Deposition (RPD™), GEFERTEC, MX3D, WAAM3D e Lincoln Electric.

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*Foto di copertina: il razzo Terran 1 di Relativity Space in costruzione. Crediti foto: Relativity Space.