Con il termine Additive Manufacturing (AM) si identifica una serie di tecniche di realizzazione ed ottimizzazione in cui il prodotto finito, generalmente a geometria estremamente complessa, è ottenuto senza la necessità di fonderne la materia costituente in stampi o di rimuoverlo da una forma grezza. Questa caratteristica differenzia pertanto il concetto di AM dal concetto più tradizionale di lavorazione sottrattiva. Considerato l’elevato grado di complessità geometrica raggiungibile, l’avvento di questa tecnologia si è rivelato fondamentale nel campo del design industriale, permettendo la definizione e realizzazione di componenti non ottenibili diversamente e di fatto ha mutato il concetto stesso di design. L’integrazione di componenti elettronici avanzati in grado di offrire dei controlli di variabili esterne e di reagire secondo algoritmi opportuni con delle azioni di feedback, conduce alla realizzazione di prodotti altamente tecnologici caratterizzati da forme innovative e perfet- tamente integrati con l’ambiente circostante. Il progetto prevede lo studio e l’ottimizzazione di nuovi processi additivi in ambito metallico e non metallico, lo studio, l’ottimizzazione e la certificazione multifisica di materiali innovativi ottenuti mediante processi di atomizzazione, simulazioni e spettrometria di massa ad alta risoluzione e l’integrazione in termini di physical computing dei prodotti di design realizzati secondo lo schema descritto. Lo studio, in ambito hardware, verte sullo sviluppo di nuovi materiali funzionalizzati mediante additivi che ne consentano l’utilizzo in applicazioni powertrain ad alte pre- stazioni nel caso di leghe di alluminio, di acciai ad alto tenore di carbonio e di titanio. Si intende pertanto percorrere la strada tecnologicamente avanzata del multimateriale metallico in AM con processo di deposizione di materiale ibrido (matrice termo-plastica con intrusione di nanoparticelle metalliche). In questo contesto risulta applicabile ed altamente innovativo il concetto stesso di Design, inteso come sviluppo ed utilizzo sia di arti applicate che di scienze applicate al fine di migliorare l’estetica, l’ergonomia la funzionalità e l’usabilità stessa di un prodotto. A largo spettro il Design industriale ne studia nel dettaglio anche le tecniche di miglioramento della commerciabilità e della produzione, sviluppando in maniera sostanziale il concetto di brand made in Italy.
Il Progetto MAD si articola in 6 OR (Obiettivi Realizzativi).
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OR1: Definizione Dimostratori, ovvero definizione dei prodotti finali di design e relative specifiche di funzionamento (Ricerca Industriale)
Principali attività:
– OR1.1: Definizione dei prodotti finali di design
La definizione dei prodotti finali di design viene indirizzata nel campo del comsuming, home living, automotive ed aerospace con lo scopo di innovare le forme ed il funzionamento integrato di componenti Made in Italy.– OR1.2: Selezione dei processi additivi ed individuazione di tecnologie innovative da perseguire nel medesimo settore
La selezione dei processi additivi più consoni allo scopo di questa attività, al fine ottenere dei dimostratori in materiale plastico, metallico ed ibrido, comprende processi di stereolitografia di resine fotopolimerizzabili, DLP di resine fotopolimerizzabili e sinterizzazione DMLS selettiva di polveri metalliche. Vengono inoltre selezionate nuove tecnologie additive di carattere ibrido (matrice termoplastica con dispersione di particelle metalliche) su cui verranno svolti dei test di benchmarking come previsto dall’attività OR3.2.– OR1.3: Definizione delle specifiche tecniche dei materiali
La definizione delle specifiche dei prodotti finali di design comprende la definizione delle specifiche tecniche dei materiali più opportuni considerate le condizioni di utilizzo definite nell’attività OR1.1, comprendendo la resistenza meccanica a sollecitazioni statiche e dinamiche, la conducibilità elettrica e la conducibilità termica.– OR1.4: Monitoraggio, indirizzamento ed allineamento dei processi sul mercato globale di riferimento
L’attività è volta a monitorare, confrontare ed indirizzare le attività di ricerca per allinearsi con quanto avviene nel mercato di riferimento nazionale e mondiale relativo ai prodotti finali, nonché con le frontiere della ricerca su scala globale. Il monitoraggio, essenziale per valutare l’impatto economico ed ottimizzare di conseguenza il processo di design ed i processi realizzativi dei prodotti, prevede l’individuazione e l’analisi periodica delle fonti per studiare trend tecnologici e processi al fine di mantenere la congruenza della ricerca oggetto della proposta verso il futuro ipotizzato. Saranno condotti studi bibliografici per valutare l’impatto delle tecnologie di manifattura additiva sulla operation strategy delle aziende, sul modello di business, sull’innovazione dei processi, sulle modalità di gestione del materiale e dell’integrazione di filiera. L’attività sarà portata avanti in parallelo a tutte le attività del presente OR e proseguirà fino alla fine dello stesso. Le informazioni raccolte saranno pubblicate in report periodici realizzati collaborativamente dai partner nell’ambito del progetto per poter mantenere allo stato dell’arte tutti i risultati attesi.
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OR2: Sviluppo Materiali, ovvero sviluppo di materiali innovativi con cui vengono prodotti i dimostratori (Ricerca Industriale e Sviluppo Sperimentale)
Principali attività:
– OR2.1: Ottimizzazione di strumenti software per la modellazione termodinamica e cinetica di materiali innovativi
Nel processo di sviluppo di materiali innovativi una prima fase richiede l’analisi delle proprietà termofisiche e cinetiche del materiale e la modellazione numerica del processo di gas atomizzazione. Gli strumenti software disponibili richiedono una elevata capacità di calcolo limitando da una parte la risoluzione dall’altra l’accuratezza dei risultati ottenuti. L’attività si focalizza sull’analisi degli strumenti software attualmente esistenti per la modellazione termodinamica e cinetica dei materiali e del processo di gas atomizzazione e la loro ottimizzazione e parallelizzazione su architetture parallele multi-core o many-core quali GPUs. Tali software di simulazione vengono utilizzati per lo studio dell’effetto combinato di alliganti innovativi in una matrice di alluminio per ottenere un compromesso tra proprietà meccaniche e leggerezza. Infine viene modellizzato il processo di produzione di polveri delle leghe di alluminio individuate precedentemente per ottimizzare il processo sia di gas atomizzazione che di blending. Analogamente a quanto descritto prima, vengono investigate le caratteristiche ed il comportamento in processi DMLS di leghe speciali Ni-Co ad uso aeronautico e consumer. Infine si procederà all’ottimizzazione dei processi di produzione delle polveri individuate. Le attività dell’obiettivo OR 2.1 si svolgeranno in feedback con i partner che mettono a sistema del progetto i macchinari di Additive Manufacturing.– OR2.2: Sintesi di materiali innovativi metallici e plastici
Questa fase punta al rafforzamento ed al trasferimento del know-how residente, relativo allo studio delle cinetiche di polimerizzazione delle matrici organiche di interesse per la stampa 3D (ad esempio, resine epossidiche, acrilati, PLA, ecc.), e allo studio di adsorbimento di film polimerici sottili su interfacce inorganiche o nanoparticelle. Le tecniche di indagine usate sono spettroscopia dielettrica e microscopia a forza atomica e forza elettrica con risoluzione a nanoscala, anche se ulteriore supporto può derivare se necessario da opportuni studi di calorimetria. Particolare attenzione viene prestata all’investigazione di materiali nanocompositi, determinando i meccanismi mediante i quali i processi di polimerizzazione 3D vengono influenzati dalla presenza di nanoparticelle.– OR2.3: Caratterizzazione chimico-fisica di materiali innovativi
Le caratteristiche chimiche di composizione elementare ed eventuale radiopurezza vengono testate mediante lo sviluppo ed ottimizzazione di tecniche di spettrometria di massa ad elevata risoluzione con sorgente al Plasma (HR-ICP-MS) e con sorgente a Ionizzazione Termica (TIMS) su materiali plastici, metallici ed ibridi multimateriale e mediante lo sviluppo ed ottimizzazione di tecniche di spettrometria gamma ad alta risoluzione con rivelatori al germanio di elevata purezza, di spettrometria alfa con rivelatori al silicio (PIPS), e di spettroscopia alfa beta con rivelatori a scintillatori liquidi. Le proprietà fisiche dei materiali innovativi così ottenuti saranno testati con varie tecniche analitiche (spettroscopia dielettrica in bulk e a nanoscala LDS, microscopia a forza atomica assorbimento e birifrangenza THz, calorimetria, analisi dinamico meccaniche).
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OR3: Caratterizzazione Processi, ovvero sviluppo e test di materiali innovativi su tecnologie di Additive Manufacturing già esistenti mediante l’ausilio di ambienti di calcolo avanzati, test di tecnologie additive innovative e confronto caratterizzante processi versus materiali (Ricerca Industriale)
Principali attività:
– OR3.1: Sviluppo di ambienti di calcolo per la modellazione di processo di stratificazione
Il processo di stratificazione e in generale la procedura di stampa in additive manufacturing costituiscono la fase fondamentale per la realizzazione del prodotto finale. Una delle principali sfide riguarda l’inconsistenza della qualità dei prodotti stampati, che dipende fortemente da numerosi parametri di processo. Un metodo per affrontare questa sfida è quello di condurre esperimenti o ricorrere a simulazioni per ottenere dati affidabili e ottimizzare i parametri di processo, tuttavia sono entrambi costosi o richiedono tempo. Un altro metodo per assicurare la qualità delle parti e l’affidabilità del processo consiste nell’applicazione di sistemi di monitoraggio in situ, ma si rende necessario disporre di un metodo efficiente di rilevamento dei difetti usando lo stream dei dati prodotti dai sensori installati sui macchinari di additive manufacturing. In entrambi i metodi si rende necessario disporre di strumenti di machine learning, data mining e big data analytics che possano, da un lato, fare predizioni e determinare efficientemente i parametri ottimali di processo, dall’altra rilevare i difetti in tempo reale.– OR3.2: Test di benchmarking rispetto a tecnologie additive esistenti con implementazioni, ove necessario, di tecnologie esistenti per test da banco
Questa attività prevede dei test di stampa di provini su strumentazioni DMLS con implementazione del set di parametri di processo definiti nel punto precedente. Si utilizzeranno dunque i macchinari per produzione additiva disponibili all’interno del partenariato per testare la fattibilità produttiva dei nuovi materiali sviluppati.– OR3.3: Test con materiali e processi innovativi
Questa attività è caratterizzata dall’acquisizione di macchinari di produzione additiva idonei a testare leghe nuove attraverso una tecnologia innovativa e differente dalle comuni DMLM ed EBM, al fine di capirne le reali potenzialità di produzione su un panorama di mercato che appare ormai fortemente consolidato ed affidabile attraverso una strutturata attività di benchmarking, in collaborazione con gli altri partner.– OR3.4: Integrazione di sensori per il controllo dei processi
Una delle attività principali di questo OR consiste nello sviluppo di algoritmi cooperativi che permetteranno a processori presenti nell’ambiente di cooperare in modo da poter utilizzare al meglio i dati dai sensori sia per l’analisi sia per il controllo dei processi oggetto di studio. In particolare, algoritmi di stima, learning e controllo verranno sviluppati, algoritmi che saranno basati sulla cooperazione tra più nodi di calcolo. Particolare attenzione sarà rivolta a task di robotica cooperativa.– OR3.5: Sviluppo ed utilizzo di ambienti di Augmented Reality per la validazione dei prodotti
La Realtà Aumentata (AR) fornisce un’esperienza 3D immersiva in tempo reale in cui gli oggetti del mondo reale vengono combinati con informazioni contestualmente rilevanti e oggetti virtuali generati dal computer. I dispositivi di visualizzazione portatili, come head-mounted display e smart glasses, possono fornire agli utenti tale visione aumentata.– OR3.6: Confronto e caratterizzazione
Viene effettuata la caratterizzazione dei vari provini stampati al punto OR3.2, prove meccaniche e metallografia, per la verifica dell’ottenimento delle caratteristiche identificate come obiettivo iniziale. La verifica geometrica e dimensionale dei prodotti ottenuti viene effettuata tramite scansione ottica stereoscopica ad elevata risoluzione.
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OR4: Design Dimostratori, ovvero design industriale dei prodotti finali ed integrazione assistita al calcolatore di sistemi embedded (Ricerca Industriale)
Principali attività:
– OR4.1: Sviluppo di ambienti di calcolo per le simulazioni di modelli 3D ed ottimizzazione topologica delle parti ottimizzate per produzione Additive Manufacturing
Nell’ambito del processo di Additive Manufacturing ci sono diverse fasi, quali la modellazione dei solidi, lo slicing e la generazione del supporto che richiedono una elevata capacità di calcolo computazionale e la necessità di ricorrere ad algoritmi paralleli che possano sfruttare architetture di calcolo quali GPUs, multicore CPU o cluster paralleli. L’attività proposta si focalizza sull’ottimizzazione di software esistente per la modellazione dei solidi a geometria complessa. Si propone inoltre di utilizzare tecniche di calcolo parallelo anche per l’ottimizzazione geometrica mirata a conferire particolari proprietà all’oggetto realizzato. Attraverso l’uso degli strumenti software di modellazione 3D verrà effettuata la re-ingegnerizzazione del componente racing sia in funzione delle caratteristiche meccaniche ottenute sia sulla base del mutato approccio progettuale legato alla manifattura additiva. A supporto della modellazione geometrica 3D verranno inoltre sviluppati strumenti per la visualizzazione dei dati in ambiente immersivo integrato con strumenti di realtà aumentata e prototipi realizzati con tecniche di stampa 3D.– OR4.2: Sviluppo di un framework per ausilio al design in termini di Circular Economy
L’attività si propone di sviluppare un framework metodologico (e i possibili strumenti ICT a supporto) in cui inquadrare le attività di design di prodotti e tecnologie di AM in ottica di Circular Economy. Questo sarà uno strumento metodologico per sistematizzare i processi di sviluppo prodotto affinché sia possibile ottimizzare i flussi di materiali e servizi per generare valore in modo ciclico. In particolare si intendono supportare le attività di design per abilitare gli elementi fondamentali dell’economia circolare per quanto riguarda a) le competenze nella progettazione e nella produzione circolari per facilitare il riutilizzo dei prodotti e il riciclaggio e b) le competenze nella costruzione di cascate e cicli inversi. Si intende supportare la selezione dei materiali, la standardizzazione dei componenti, il design-to-last e design-to-easy-end-of-life dei prodotti, il riutilizzo di prodotti e materiali, il design-for-manufacturing per il riutilizzo di sottoprodotti e rifiuti.– OR4.3: Design di sistemi elettronici embedded
L’integrazione di specifici sistemi elettronici embedded consente di sviluppare dispositivi “smart”, cioè in grado di ampliare i livelli di funzionalità del prodotto finale attraverso l’aggiunta di capacità di adattamento al relativo ambito di applicazione. Questa caratteristica è ottenibile grazie alla disponibilità dei molteplici micro controllori a basso costo attualmente accessibili sul mercato (Atmel, ARM, Freescale, Texas Instruments, STM, ecc,) già dotati dei relativi sistemi di sviluppo; inoltre in relazione a specifiche esigenze, ad esempio di rapidità di azione, è anche possibile far uso di FPGA che consentono l’implementazione diretta delle funzioni logiche richieste. L’attività prevede la realizzazione del sistema prototipale che integra nell’architettura dei reparti di produzione, identificati come reparti pilota per le dimostrazioni di progetto, i sensori, le antenne, la rete e il software dedicato per l’analisi degli indicatori di processo identificati. I dimostratori, definiti e realizzati nell’ambito del progetto, si prevedono composti da sensori hardware fissi (antenne Anchors) e mobili (antenne Tag) che comunicano tra di loro tramite un sistema di radiofrequenza (UWB) bidirezionale.
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OR5: Realizzazione e Validazione Dimostratori, ovvero realizzazione mediante AM assistita al calcolatore ed integrazione dei prodotti con sistemi embedded (Ricerca Industriale)
Principali attività:
– OR5.1: Integrazione di sistemi elettronici embedded
Dagli esiti degli OR precedenti si procede con l’implementazione, nei dimostratori selezionati, dei dispositivi embedded sviluppati al fine di fornire agli oggetti realizzati le opportune funzionalità.– OR5.2: PLM dei processi e dei dimostratori
Il Product Lifecycle Management (PLM) è un approccio di business strategico che supporta tutte le fasi del ciclo di vita di un prodotto, dalla concezione allo smaltimento, fornendo una sorgente di informazioni di prodotto unica. Integrando persone, processi e tecnologie ed assicurando coerenza e tracciabilità delle informazioni di prodotto, il PLM consente alle organizzazioni di collaborare all’interno dell’extended enterprise per gestire prodotti complessi. In tale ottica, l’attività vuole (a) caratterizzare i processi di progettazione e gestione in servizio per i dimostratori e (b) ottimizzare un sistema avanzato di PLM a supporto di tali processi per la gestione delle tecnologie legate all’AM (materiali, processi, tecnologie, sistemi embedded, ecc.) lungo tutto il loro ciclo di vita. I processi e il sistema PLM dovranno prevedere e supportare le caratteristiche nuove richieste dalle tecnologie di AM e dall’uso dei sistemi embedded affinché i dati siano gestiti in configurazione.– OR5.3: Realizzazione e caratterizzazione dei dimostratori
L’attività prevede la realizzazione del componente re-ingegnerizzato sulla base dell’ottimizzazione topologica condotta nell’OR4.1 e delle specifiche prestazioni richieste dall’applicazione. Verrà poi effettuata la caratterizzazione del componente stesso, in termini di proprietà meccaniche e metallografiche. In questa fase si producono dei prototipi funzionali per verificare la funzionalità dei componenti progettati e saranno iterate le operazioni di ottimizzazione del design (di cui all’OR.2) in base ai feedback ricevuti dalle primissime verifiche effettuate sui prototipi, in modo da raggiungere o approssimare al meglio le caratteristiche definite nelle specifiche.– OR5.4: Life Cycle Assessment dei dimostratori
L’attività sarà svolta secondo gli step indicati nella norma ISO 14040 e succ. Il primo passo è la definizione dell’Unità Funzionale, cioè il prodotto, il servizio o la funzione su cui impostare l’analisi e che sarà di riferimento del nostro studio rispetto al quale tutti i dati in ingresso ed in uscita saranno normalizzati. Lo scopo dell’LCA sarà progettare i dimostratori in maniera informata sugli impatti ambientali delle varie alternative di progetto con un approccio “cradle-to-cradle”, utilizzando ove disponibili, dati primari. La seconda fase sarà quella dell’inventario in cui sarà effettuata la descrizione quantitativa di tutti i flussi di materiali ed energia che attraversano i confini del sistema sia in ingresso sia in uscita. La terza fase coinciderà con la valutazione degli impatti per ogni processo mappato nella seconda fase. L’ultima fase consisterà nella valutazione delle diverse opzioni disponibili per migliorare la soluzione di progetto dei dimostratori dal punto di vista sostenibilità. Per effettuare l’analisi LCA si farà uso di un software dedicato e del necessario database associato, il quale sarà coerentemente aggiornato.
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OR6: Valorizzazione Risultati (Ricerca Industriale)
Principali attività:
– OR6.1: Exploitation dei risultati
La presente attività, il cui svolgimento consente il raggiungimento dell’obiettivo OR6.1, prevede di massimizzare la valorizzazione dei risultati del progetto sia dal punto di vista scientifico che sul piano socio-economico. Verrà redatto un piano di valorizzazione che prevedrà le seguenti azioni: i) redazione e firma da parte di tutti i partner di un Consortium Agreement che disciplinerà̀, in particolare, la gestione del background, la titolarità̀ e la gestione del foreground e del sideground che verranno generati in seno al progetto e le modalità per il libero accesso ai risultati della ricerca, ii) realizzazione di uno studio di stato dell’arte, basato sull’analisi della letteratura scientifica, brevettuale e commerciale, che evidenzierà le tecnologie e i prodotti concorrenti in fase di sviluppo da parte dei principali attori di tutta la filiera del progetto, iii) studio sulle possibili applicazioni dei prodotti e delle tecnologie sviluppate in seno al progetto in settori diversi da quelli del progetto, iv) definizione della strategia di valorizzazione dei risultati: incrociando i risultati del progetto con lo studio di stato dell’arte e lo studio sulle possibili applicazioni dei risultati in altri settori, i partner potranno identificare le migliori azioni per valorizzare i risultati dal punto di vista socio-economico (es. deposito di domande di brevetto e licensing di know-how e IPR, costituzione di una start-up innovativa, accordi commerciali e di sviluppo congiunto, ecc.).– OR6.2: Diffusione dei risultati
L’attività, svolta per consentire il raggiungimento dell’obiettivo OR6.2, prevede la divulgazione dei risultati del progetto per accrescere le competenze della comunità scientifica ed imprenditoriale sulle tematiche sviluppate nel progetto in ambito di nuove tecnologie, processi di sviluppo, strumenti di supporto al design in ottica AM per cui siano previsti anche sistemi embedded. Verrà redatto un piano di divulgazione che prevedrà le seguenti azioni: i) definizione degli obiettivi (qualitativi e quantitativi) e dei target users che il progetto vorrà raggiungere (utenti del business, ricercatori, imprenditori, pubbliche amministrazioni, ecc.), ii) definizione del programma di promozione che si declinerà in: a) predisposizione del materiale di promozione del progetto: logo, messaggi chiave, presentazione standard, roll-up, website e video di progetto e attivazione dei canali di comunicazione social per una massima diffusione digitale dei temi e dei risultati del progetto, b) organizzazione di seminari scientifici e divulgativi presso conferenze e/o fiere, c) organizzazione della pubblicazione di articoli scientifici e divulgativi, d) presentazioni orali e/o poster in seno a eventi scientifici e/o divulgativi, e) creazione di un living lab dove il dialogo tra tutti gli attori coinvolti nel progetto verrà promosso e mediato al fine di analizzare e discutere i problemi scientifici, tecnici e sociali ed identificare dei percorsi condivisi per affrontarli e risolverli. Al fine di realizzare l’obiettivo, il modello organizzativo del progetto prevede un’unità di comunicazione e divulgazione nella divisione gestionale.