Il Repair Development Centre Avio Aero di Bari sta sperimentando una nuova tecnica di riparazione di componenti aeronautici chiamata "cold spray". In pratica, si tratta di una declinazione innovativa dell'addictive manufacturing: in sintesi "deposizione di polveri metalliche mediante effetto cinetico e meccanico", come ha spiegato il responsabile del progetto Gregorio Dimagli a Tom's Hardware.
Da ricordare che il Repair Development Centre Avio Aero è situato presso il Politecnico di Bari, e che Avio Aero è una sussidiaria della statunitense General Electric.
Come funziona la cosiddetta tecnologia o tecnica "Cold spray " e a cosa serve?
La tecnologia Cold Spray è basata sulla deposizione di polveri metalliche mediante effetto cinetico e meccanico.
Il cuore dell'impianto è un ugello convergente-divergente attraversato da un gas inerte ad alta pressione (azoto o elio). Il gas, passando attraverso l'ugello, viene accelerato a velocità elevatissime e superiori alla velocità del suono. Il gas così accelerato viene utilizzato per trasportare le particelle di polvere metallica che vengono proiettate contro un substrato di metallo base. Le particelle aderiscono al substrato grazie alla deformazione plastica dovuta all'impatto. In questo modo è possibile depositare diversi strati sovrapposti, realizzando la geometria desiderata.
È un po' quello che si fa per costruire i castelli di sabbia... la differenza è che il Cold Spray ci consente di realizzare o ricostruire oggetti metallici...decisamente più resistenti.
La tecnologia Cold Spray è stata concepita per la prima volta in Russia negli anni '80. Verso la fine degli anni '90 ci sono state le prime applicazioni pratiche, utilizzando soprattutto leghe leggere come quelle di alluminio. Oggi, grazie alla evoluzione e al perfezionamento di questa tecnologia, si possono utilizzare una vasta gamma di leghe metalliche, molto più resistenti di quelle di alluminio.
Si parla di additive manufacturing, che cosa è esattamente? Il cold spray è una sua declinazione?
Tutte le tecnologie tradizionali per la lavorazione dei metalli si basano sulla "rimozione" di materiale a partire da una fusione o da un forgiato, per ottenere la forma e la geometria desiderata. Le tecnologie cosiddette "Additive" che si stanno velocemente sviluppando negli ultimi anni, consentono di ottenere le geometrie desiderate "aggiungendo" materiale che si trova inizialmente allo stato di polvere, da qui il termine "Additive".
La polvere viene fatta fondere in modo da dare direttamente la forma desiderata. Queste tecnologie consentono di ottenere lo stesso risultato utilizzando meno materie prime, meno energia e meno ore di lavorazione. Le tecnologie "additive", inoltre, consentono di costruire componenti con geometrie impossibili da ottenere con le tecnologie tradizionali; una progettazione adeguata di questi componenti "additive" consente di realizzare macchine più leggere e con meno componenti, rispetto al passato.
Il Cold Spray, a partire da un polvere metallica, consente di "costruire" componenti senza limiti di spessore e con geometrie 3D molto complesse. Si tratta, a tutti gli effetti di una tecnologia "additive".
Il "Cold spray" è ancora in sviluppo, cosa manca per un suo diffuso impiego?
Come tutte le nuove tecnologie è necessario del tempo per conoscerne le potenzialità e per ottenere dei risultati ripetibili.
Nel caso dei componenti aeronautici di cui ci occupiamo in Avio Aero, inoltre, è necessario dimostrare l'affidabilità dei componenti ottenuti con queste tecnologie e ottenere le autorizzazioni all'impiego da parte delle autorità di controllo. Solo in questo modo si garantisce sempre la massima sicurezza.
In quali casi non si può impiegare questa tecnologia, considerati i suoi attuali limiti?
Ci sono dei limiti legati agli impianti utilizzati come dimensioni massime dei componenti, accessibilità dello spray, etc. Questi limiti verranno via via superati dalla progettazione di impianti "ad hoc" in funzione delle applicazioni che si vogliono realizzare.
Ci sono poi dei limiti connessi alla tecnologia vera e propria, che sono le caratteristiche del materiale che si riesce a ottenere; a oggi non si riesce a utilizzare questa tecnologia per componenti fortemente sollecitati. La ricerca e lo sviluppo, però, stanno migliorando e ottimizzando giorno per giorno le caratteristiche dei materiali che si possono ottenere, rendendo questa tecnologia utilizzabile su un numero sempre maggiore di applicazioni.
Qual è il potenziale futuro? Potrà essere impiegato in altri settori, anche considerando i costi?
Il Cold Spray ha notevoli potenzialità soprattutto per la riparazione di componenti usurati o danneggiati. Questa tecnologia, infatti, consente letteralmente di ricostruire le parti usurate o mancanti di un componente senza apporto termico, permettendo quindi di eseguire la riparazione senza danneggiare il componente originale. La riparazione dei componenti usurati è tanto più conveniente quanto maggiore è il costo dei componenti stessi.
I componenti di motori aeronautici sono molto costosi, sia per il tipo di leghe metalliche utilizzate, sia per la precisione richiesta. Il Cold Spray, nei prossimi anni, avrà un ruolo di primo piano nelle tecnologie utilizzate per riparare i componenti aeronautici. Ci possiamo aspettare che con il perfezionamento della tecnologia, l'aumento dei volumi, ecc... i costi di questi impianti possano diminuire e rendere interessante anche la riparazione di componenti meno "nobili" utilizzati per altre applicazioni industriali.
Si posso indicare dei parametri operativi? Ad esempio velocità di lavorazione, temperature raggiunte, consumi?
In questo momento possiamo dire che la velocità di deposizione raggiunge vette molto alte, fino a 3 o 4 volte quella del suono. I parametri operativi che si utilizzano dipendono dai materiali che si usano e dai risultati che si vogliono ottenere. Le attività di Ricerca e Sviluppo, in questo momento, sono concentrate nella messa a punto dei parametri operativi che consentono di ottenere i risultati migliori su una vasta gamma di materiali metallici.
Quello che possiamo già dire è che il Cold Spray ha dei tempi di lavorazione sensibilmente inferiori ad altre tecnologie simili. Anche l'impatto ambientale di questa tecnologia è estremamente ridotto: le uniche emissioni rilasciate dall'impianto sono gas inerti (azoto o elio) che possono essere rilasciati senza alcun problema in atmosfera, grazie all'efficacia di potenti filtri che separano completamente le particelle metalliche dal gas di processo.
Il laboratorio di Bari da quali tipologie di specialisti è formato?
Il Repair Development Centre Avio Aero di Bari è un centro di ricerca per lo sviluppo delle tecnologie additive, finalizzato alla riparazione di componenti aeronautici. Il Cold Spray è, appunto, una della tecnologie che si stanno sviluppando. Il laboratorio è formato da personale Avio Aero, ricercatori e professori del Politecnico di Bari che lavorano fianco a fianco.
Il personale Avio Aero coordina e indirizza le attività di Ricerca verso gli obiettivi maggiormente interessanti e strategici per il mercato della riparazione di componenti aeronautici. Il team di ricercatori e Professori del Politecnico di Bari è composto da specialisti di processo, ingegneri dei materiali, esperti di analisi meccaniche e metallurgiche che lavorano per ottenere processi stabili e ottimizzare le proprietà dei componenti realizzati.