maxon Inside
Il meglio della ceramica
La produzione additiva di componenti in ceramica accelera la produzione di prototipi e apre la strada a nuove opportunità.
L'azienda svizzera maxon è famosa per la sua tecnologia di azionamento che ha raggiunto persino Marte con vari rover della NASA. Il reparto high-tech per la ceramica tecnica di Sexau vicino a Friburgo non è altrettanto famoso. Qui i componenti in ceramica vengono ora stampati anche in 3D e perfezionati con il laser.
“Cos'è ancora più resistente all'usura e può essere trasformato in assi e alberi per riduttori planetari per renderli ancora più precisi e affidabili?” Questa è la domanda che i collaboratori dell'azienda specializzata in azionamenti Maxon Motor GmbH si sono posti più di 20 anni fa. Stefan Zilm, responsabile Business Development e Quality Engineering del Centro di competenza CIM/MIM di Sexau conosce la risposta: i componenti in ceramica prodotti con lo stampaggio a iniezione di ceramica, un processo simile allo stampaggio per iniezione di metalli.
Oggi l'azienda dispone di un vasto know-how nel campo della ceramica tecnica. Con il CIM, i componenti possono essere prodotti in serie in quantità di diverse centinaia di migliaia. Tuttavia, nonostante tutta l'esperienza acquisita e l'uso di metodi di progettazione d'avanguardia tra cui CAD, calcoli degli elementi finiti e simulazioni, la realtà rimane il banco di prova finale che stabilisce se una nuova idea è fattibile o se un componente in ceramica può essere prodotto e se il comportamento è quello previsto.
Il percorso che porta dall'idea al componente in ceramica vero e proprio è lungo e costoso. Per creare il pressato da sinterizzare è necessario uno stampo costoso: questo infatti viene tornito e tagliato, sinterizzato e sabbiato con processi impegnativi. Zilm ammette: “Creare un primo campione è estremamente complicato e richiede molto tempo e denaro.”
La precisione e l'area di stampa sufficientemente ampia di 300 per 300 millimetri ha convinto maxon a scegliere la stampante del produttore francese 3DCeram.
Ceramica dalla stampante
Esiste però un'altra opzione: usare la scorciatoia fornita dalla stampa 3D, un processo ormai affermato per i componenti in plastica e sempre più utilizzato per i metalli. Mentre lo stampaggio di plastica e metallo fa parte della produzione industriale ormai da diversi anni, la stampa della ceramica è ancora nella fase sperimentale dal laboratorio ai capannoni delle fabbriche. I vantaggi si sono rivelati così interessanti che maxon ha avviato dei test pilota cinque anni fa con l'obiettivo di fornire più velocemente i prototipi di componenti in ceramica ai clienti: un vero pioniere del settore. Zilm: “Con una stampante di questo tipo è possibile completare i primi due o tre cicli di sviluppo in modo molto più semplice e rapido.”
Dopo un'intensa ricerca di mercato, maxon ha scelto una stampante del produttore francese 3Dceram che è stata personalizzata per soddisfare le esigenze dell'azienda. “I nostri principali criteri di scelta erano la precisione e l'area di stampa sufficientemente grande di 300 per 300 millimetri,” spiega Zilm. La stampante si basa sul metodo della stereolitografia con cui il laser solidifica un'emulsione di legante e polvere ceramica realizzando, strato dopo strato, un componente dal basso all'alto. Gli strati hanno uno spessore compreso tra 0,025 e 0,125 millimetri. Dopo l'applicazione di ogni strato, il piano della stampante si abbassa di un incremento. Questo assicura un ritiro uniforme durante la solidificazione oltre a un'elevata precisione e resa di dettagli molto piccoli. Non è necessaria una struttura di supporto. Il punto di forza dei sistemi 3DCeram è la possibilità di creare parti molto piccole, con un volume di soli 50 millimetri cubi.
Dopo la stampa, le parti vengono pulite con aria compressa e additivo per rimuovere il materiale in eccesso dal componente.
In base ai requisiti, i componenti in ceramica vengono solitamente prodotti con zirconia e ossido di alluminio. Si tratta dei materiali più utilizzati nel campo della ceramica tecnica, entrambi disponibili come emulsione per la stampante 3D. La tecnologia di deceraggio e sinterizzazione corrisponde alla procedura CIM, con il risultato che i pressati creati nella stampante 3D possono essere trattati negli stessi sistemi di produzione delle parti in serie. In base alla complessità del componente desiderato e al livello di tolleranza necessario, sono possibili anche piccole serie e una buona alternativa allo stampaggio a iniezione di ceramica (CIM).
Secondo Zilm, la procedura presenta comunque dei limiti a causa del diametro del raggio laser UV che determina lo spessore minimo della parete che è possibile produrre. I componenti vengono puliti con aria compressa e additivo per rimuovere il materiale in eccesso dal componente. I fori con dimensioni di 0,5 millimetri (o inferiori) non possono essere realizzati con la perfetta circolarità dello stampaggio a iniezione ma sono comunque sufficienti per i prototipi.
Dettagli complicati, geometrie precise e strutture cave sono possibili con la stampa 3D con ceramica tecnica.
Partner nello sviluppo già dall'inizio
Oggi il cliente invia semplicemente un file nel formato STEP standardizzato (norma per lo scambio di dati modello) ormai comune nella stampa 3D e riceve un'offerta poco tempo dopo. Solo 10 - 14 giorni dopo la conferma dell'ordine, il cliente può già avere tra le mani i primi componenti del prototipo. “In passato erano necessarie diverse settimane o persino mesi con i relativi costi elevati dello stampo,” ricorda Zilm.
Nel caso ideale il cliente coinvolge maxon sin dall'inizio. “Siamo partner nello sviluppo sin dalla prima idea e possiamo così intervenire in fase di progettazione per adattarla il più possibile anche alla ceramica,” spiega Zilm. In questo modo è possibile, ad esempio, combinare diversi componenti in un componente unico con funzionalità ottimizzate. Secondo Zilm, queste ottimizzazioni sono estremamente importanti se si considera che il prezzo di un chilogrammo delle materie prime necessarie per la ceramica è circa dieci volte quello dell'acciaio. “Dobbiamo giustificare tutto questo fornendo funzionalità decisamente migliori, per esempio in termini di resistenza all'usura, stabilità termica ed eliminazione dei lubrificanti.”
Tuttavia, i limiti della produzione additiva non sono ancora stati raggiunti. Andreas Philipp, responsabile del Centro di competenza CIM/MIM, è sicuro: "Dobbiamo iniziare a pensare in 3D e non con il metodo classico del passato." Così facendo si aprirà la strada a nuove possibilità: la stampa 3D potrebbe essere una vera alternativa ai processi tradizionali.