Casi applicativi

Ispezione di un’elica motore stampata in 3D

Ispezione di un’elica motore stampata in 3D

Sei il capitano di una nave portacontainer da
50.000 tonnellate e hai dei tempi strettissimi.
L’elica in bronzo da 100.000 euro è stata
danneggiata di notte dai detriti presenti
nell’oceano. Dopo aver ormeggiato nel più
grande porto marittimo d’Europa, Rotterdam,
esegui un doloroso calcolo: rimozione
dell’elica sott’acqua: 35.000 euro o più;
spedizione tramite corriere al produttore
originale per la riparazione: 10.000 euro o più;
lavori di riparazione dell’elica, più spedizione
dell’elica di ricambio da Seattle a Rotterdam;
altre migliaia di euro; poi aggiungi il costo
dei 20 giorni o più in cui la nave è rimasta
attraccata in porto. Dovresti chiamare subito
lo spedizioniere?
Non temere, c’è RAMLAB. Il Rotterdam
Additive Manufacturing Laboratory ti stamperà
letteralmente una nuova elica in 3D. Avviato
nel 2016, l’impianto ha prodotto la prima elica
approvata alla fine del 2017 utilizzando il
processo di produzione additiva ad arco con
filo (WAAM, wire arc additive manufacturing). Il
WAAM è un processo di deposizione di metalli
ad alta velocità, in grado di depositarne 1-6 kg
all’ora.
L’elica stampata al 100% è nota come
WAAMpeller. “L’albero cilindrico è il substrato
di base di partenza su cui viene depositato un

cono utilizzando il processo WAAM”, afferma
Kelvin Hamilton, Sr Technical Consultant di
Autodesk, che lavora a stretto contatto con
RAMLAB. Dopo aver preparato il mozzo
conico, le lame vengono depositate un
cordone di saldatura dopo l’altro, uno strato
dopo l’altro, fino a formare l’elica completa.
“Si tratta di un pezzo nuovo, completamente
costruito, prendendo un substrato e
aggiungendo caratteristiche per creare un
componente nuovo di zecca”, aggiunge Kelvin.
Al contrario, con un intervento di riparazione,
i tecnici devono rimuovere la sezione
danneggiata del pezzo, creare un percorso
utensile, stampare la nuova sezione, quindi
eseguire la finitura – abrasione o fresatura
– per produrre la riparazione completa.
“Solitamente, nella marina commerciale, si
tratterebbe di effettuare un’abrasione manuale
o robotizzata e poi una lucidatura manuale”,
aggiunge Kelvin. RAMLAB e i suoi partner
mirano ad automatizzare il più possibile
entrambi i flussi di lavoro.
Il successo iniziale del consorzio RAMLAB
ha visto lo sviluppo, la produzione, il
collaudo e l’approvazione di categoria del
prodotto WAAMpeller da parte di Bureau
Veritas, il gruppo globale di ispezione e
certificazione marina.

Quanto tempo ci vuole per stampare un’elica?
Il tempo di costruzione varia a seconda del
materiale, delle dimensioni del pezzo e di
altri fattori come il numero di macchine da
stampa. Il processo potrebbe essere scalato
fino a realizzare più eliche in serie? Con un
solo robot, il tempo di lavorazione di più
eliche sarebbe troppo lento e non redditizio.
Con numerose macchine che stampano
contemporaneamente è possibile migliorare
la produttività, afferma Kelvin. Per una tipica
elica commerciale “piccola”, con una massa
di 180-200 kg, come la WAAMpeller, ci sono
volute 200 ore, circa una settimana e mezzo,
per stamparla senza finitura. “Era la prima
volta che ci provavamo, quindi c’è molto
margine di miglioramento nel processo e nella
produttività”, aggiunge. “Possiamo costruire
una o due eliche in due settimane.” La fusione
è migliore per produrre più di 10 unità, ma
ci potrebbero volere quattro o sei mesi per
ricevere le nuove eliche. Oltre a questo calcolo,
vanno tenuti in considerazione gli enormi costi
delle navi mercantili bloccate in un porto in
attesa che i pezzi di ricambio siano pronti.
RAMLAB ha anche mostrato il concetto di
produzione localizzata e di nicchia. Per evitare
il costo dei tempi morti, potrebbero esserci
altri RAMLAB a Rio de Janeiro o Tokyo, ad Amburgo o Sydney. L’alternativa è una supply
chain con magazzini pieni di eliche di ricambio
in centinaia di località strategiche, che
potrebbero non essere mai utilizzate. È molto
meglio stampare pezzi costosi su richiesta. È
questo il business plan definitivo di RAMLAB.
Al momento, RAMLAB è un centro di ricerca
e sviluppo che sviluppa i migliori processi
produttivi e il know-how per questo lavoro.
Vincent Wegener, Managing Director di
RAMLAB, afferma: “Siamo nella fase di
perfezionamento della tecnologia ad arco con
filo. La nostra visione a lungo termine è quella
di produrre e riparare questi pezzi su richiesta”,
afferma.
E non ci si limita alle eliche. RAMLAB sta
lavorando a progetti che riguardano vari
componenti legati all’industria offshore e
marina come timoni, bracci e attrezzature
di sollevamento. E Wegener indica un altro
vantaggio della tecnica WAAM: può produrre
pezzi cavi. All’inizio di giugno, RAMLAB ha
annunciato un progetto con la società di
ingegneria offshore olandese Huisman per
realizzare un grande gancio per gru offshore
utilizzando la tecnica WAAM. Il gancio a
quattro punte, progettato da Huisman,
consentirà di risparmiare significativamente
sull’uso del materiale e sui tempi
di produzione.
Il materiale utilizzato per le eliche è una lega
nichel alluminio-bronzo ma con la tecnica
WAAM può essere utilizzato qualsiasi metallo
prodotto con filo per saldatura. E non ci
si limita alle applicazioni marine. “C’è un
crescente interesse per il servizio di RAMLAB
da parte dell’industria aerospaziale e ora
anche dell’edilizia – in realtà la proposta è
adatta a qualsiasi industria che produce
pezzi di grandi dimensioni e costosi”,
afferma Wegener.

L’elica stampata deve mantenere la sua
forma, fondamentale per un componente le
cui geometrie delle pale sono progettate con
precisione per convertire il miglior rapporto
di moto rotatorio di spinta in avanti. E qui è
entrata in gioco CAM2, l’azienda specializzata
in soluzioni metrologiche, con una profonda
esperienza nella misurazione di pezzi in
maniera additiva. RAMLAB ha usato il CAM2
ScanArm per scansionare accuratamente
l’elica in modo da individuare deformazioni
nel processo di saldatura o di “stampa”. Il
vantaggio della tecnologia di scansione, nota
come scansione “al laser blu”, è che può
misurare un substrato senza contatto su una
superficie lucida, spiega Bart Rook, Sales
Engineer Benelux e Scandinavia presso CAM2
e responsabile della scansione delle eliche.
Lo ScanArm misura praticamente qualsiasi
superficie, incluse le superfici lucide,
con una precisione di 50-60 micron, una
tolleranza superiore a quella richiesta da
questa applicazione di elica che è di circa 0,5
millimetri. La scansione viene effettuata in
diverse fasi del processo di costruzione, ma
soprattutto nella fase di post-lucidatura e la
maggior parte delle scansioni richiede fino a
20 minuti. Rook ha utilizzato il CAM2 ScanArm
anche per piccole superfici. Dice che il
vantaggio rispetto ai sistemi della concorrenza
è quello di combinare una sonda rigida,
per creare l’allineamento, con la scansione.
“Abbiamo preso l’allineamento di una sonda
a contatto sulla macchina, che è più preciso
della scansione, e l’abbiamo usato come
riferimento di base, così più tardi siamo stati in
grado di utilizzare lo ScanArm per scansionare
le lame partendo da quel riferimento”,
afferma Bart.
I dati di misurazione raccolti dal CAM2
ScanArm vengono esportati per essere
utilizzati nel software di misurazione e
metrologia 3D di Autodesk, PowerInspect.
Utilizzando PowerInspect, i dati di scansione
sono stati confrontati con la geometria CAD
3D prevista per vedere se il nuovo pezzo
corrispondeva all’intento progettuale. Nel
complesso le scansioni hanno mostrato un ottimo accordo tra il pezzo as-built e il CAD e
hanno anche illustrato le aree in cui è possibile
migliorare il processo di deposizione.
I rischi aziendali che RAMLAB ha dovuto
affrontare includono la creazione di tutte
le partnership tra cui Autodesk, Damen
Shipyards, Promarin, società specializzata
in tecnologia navale, Valk Welding, partner
nella saldatura, Lincoln Electric e altri, e la
gestione dei loro input e delle loro aspettative.
RAMLAB ha dovuto capire il modo in cui le
proprietà del materiale cambiano quando si
fabbricano pezzi così grandi, quali sono le
garanzie strutturali dopo tante ore di saldatura,
la difficoltà di ottenere l’approvazione di
Categoria da parte di Bureau Veritas e di
altri organismi di certificazione del settore,
ecc. “La sfida principale era che non era
mai stata fatta una cosa simile”, afferma
ironicamente Wegener.
Il porto di Rotterdam è il principale investitore
di RAMLAB e ha il massimo profitto dal
progetto. Centinaia di navi passano ogni
mese attraverso il porto, alcune delle quali
necessitano di riparazioni critiche e urgenti che
non hanno una soluzione rapida e locale. Gran
parte della consulenza hardware, software e
ingegneristica dei partner RAMLAB è offerta
in natura. Questo dà all’azienda una maggiore
esposizione al mercato e riceve più feedback
dai partner. Wegener afferma che RAMLAB
continuerà a far progredire la tecnica WAAM e
sta cercando nuove e più ampie applicazioni,
anche nel settore aerospaziale. “Non possiamo
ancora stampare [tutti] i pezzi su richiesta, ma
questo è certamente l’obiettivo finale.”

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