Nextgenev: Il Ruolo Della Manifattura Additiva Metallica E Dell’economia Circolare Per L’elettrificazione “Green” Di Massa

 

 

Giovedì 8 luglio 2021, si è tenuto il webinar “Metal Additive Manufacturing” organizzato da AQM in collaborazione col Cluster Lombardo della Mobilità (CLM), evento dedicato al tema delle applicazioni avanzate della Metal Additive Manufacturing (mAM), la moderna tecnologia abilitante che impiega i materiali metallici ed i nuovi paradigmi di progettazione strutturale, per perseguire l’alleggerimento veicolo, driver fondamentale per perseguire l’obiettivo della mobilità sostenibile in un’ottica di Economia Circolare.

Il primo ad intervenire è stato il dr. Saverio Gaboardi, presidente di CLM, interlocutore istituzionale della Regione Lombardia per i settori:

  • Automotive, con oltre 1000 aziende, 20 miliardi di fatturato e 50 mila dipendenti;
  • Nautica, al primo posto in Italia per aziende attive;
  • Ferroviario per il quale la Lombardia vanta la costruzione di componentistica ad alta tecnologia;
  • Intelligent transport systems con tutto ciò che va dalla vettura digitalizzata fino alle infrastrutture che consentiranno l’utilizzo del veicolo connesso. La Lombardia si posiziona terza in Europa.

L’ambito in cui si muove il CLM sono i 4 motori d’Europa: Lombardia, Baden-Wurttemberg, RhoneAlp e Catalogna, che insieme hanno stilato un manifesto sulla mobilità sostenibile. Un risultato possibile grazie alla consapevolezza sull’ormai irreversibile integrazione della filiera europea che “è l’essenza fondamentale per il superamento delle sfide globali in atto e attese”, afferma Gaboardi.

Un’attività del Cluster è prevedere scenari e il presidente di CLM fa due tipi di previsioni riguardanti i volumi e le tecnologie.

Sui volumi si confermano i dati illustrati nel 2018 (periodo pre-covid). A quel tempo si erano intravisti 100 milioni di veicoli/anno prodotti nel mondo, con un calo nel 2019 e un crollo del 25% nel 2020, mentre quest’anno registriamo una ripresa in modo molto differenziato: molto forte in Cina, lenta negli Stati Uniti e in grave ritardo in Europa. Ad oggi l’Europa risulta ancora sotto del 25% rispetto ai dati del 2019. Nel 2050 si prevedono circa 140 milioni di veicoli nel mondo.

Sul piano delle tecnologie, la metà dei veicoli saranno a trazione elettrica di cui il 25% a batterie ricaricabili e 25% a idrogeno (leader di questo tipo di trazione sono giapponesi e coreani); 50% ancora con motore endotermico (non necessariamente con carburanti fossili, grazie alla disponibilità di metano-biometano e, in prospettiva, di carburanti sintetici).

Il Cluster ribadisce il principio della neutralità tecnologica (che attribuisce pari dignità a tutte le tecnologie, tradizionali e in fase di sviluppo) e ritiene che il futuro ci riserverà una pluralità di trazioni, ciascuna con una propria missione distintiva per rispondere alle esigenze del cliente finale in termini di prestazioni, parametri ambientali e TCO-Total Cost of Ownership misurato nell’arco dell’intera vita utile del veicolo.

Per i nostri componentisti la sfida è duplice: mantenersi competitivi nei prodotti attuali e confrontarsi con la miglior concorrenza mondiale per i componenti richiesti dalle nuove trazioni; una sfida che comporta investimenti eccezionali per l’innovazione di prodotto e di processo, da assistere con misure di sostegno straordinarie e selettive in funzione del diverso impatto generato dalla trasformazione tecnologica già avviata.

Sotto il profilo ambientale è importante che la comparazione passi dai sistemi di trazione ai vettori energetici, e che la valutazione della quantità di CO2 prodotta per ogni chilometro percorso consideri, per i diversi vettori, l’intero ciclo “dal pozzo alla ruota” e non solo “dal serbatoio alla ruota” come spesso si legge sulla stampa generalista.

E’ curioso sottolineare come fino agli anni ‘70 fare un veicolo “pesante” fosse un pregio poiché era una caratteristica che ne esprimeva indirettamente durevolezza e prestazionalità. Col passare del tempo s’è iniziato a prediligere veicoli più leggeri, innanzitutto per l’efficienza energetica, in quanto l’alleggerimento è la prima leva per ridurre i consumi; inoltre, un minor rapporto peso/potenza consente migliori prestazioni dinamiche e un ulteriore vantaggio nella riduzione delle sostanze inquinanti emesse.

L’Additive manufacturing, ha continuato Gaboardi “è una delle leve che abbiamo a disposizione per la sfida più importante che è in corso, ovvero: creare veicoli elettrici più performanti con componenti ridotti nel numero, nell’ingombro e nel peso, per dar spazio alle batterie”.

A seguire l’intervento di Gabriele Ceselin, CEO e GM di AQM, società di servizi tecnici alle imprese con quasi 40 anni d’esperienza nella sua missione di permettere alle imprese del territorio nazionale di migliorare la loro capacità competitiva lavorando sulle qualità dei loro prodotti/processi e sulle competenze delle risorse umane.

Lo scopo di AQM è quello di utilizzare le proprie infrastrutture, quasi 5.000 mq di laboratori, e l’insieme delle competenze costituite dai propri collaboratori diretti e molte decine di esperti nei vari settori tecnologici, per affrontare tutte le sfide delle imprese del mondo meccanico e metallurgico, perseguendo il miglioramento dei prodotti, lo sviluppo e il miglioramento dei propri processi produttivi, traguardano la sostenibilità.

Se ci riferiamo al settore dei veicoli per la mobilità, chiaramente la sostenibilità è fortemente legata alla riduzione del consumo d’energia correlato alle emissioni di gas serra in atmosfera. Quindi, l’obiettivo dell’alleggerimento, utilizzando tecnologie innovative è un tema cardine su cui si insegue il concetto di sostenibilità stessa.

L’ additive manufacturing è una tecnologia fortemente innovativa, che si candida all’applicazione industriale intensiva e potrà esprimere ampi margini di miglioramento tecnologico. Oggi è diventata, a tutti gli effetti, una tecnologia abilitante perché possiamo realizzare una serie di prodotti con caratteristiche e peculiarità tipiche solo di questa tipologia di lavorazione.

La potenzialità tecnologica che sta nell’additive manufacturing è quella di poter realizzare prodotti leggeri garantendo la sostenibilità addirittura prima del realizzazione del prodotto stesso, poiché l’utilizzo di polveri metalliche riduce o elimina tutte quelle operazioni industriali preliminari, necessarie per ottenere i prodotti semilavorati massivi da cui poi ottenere i componenti finiti (esempio: colata, laminazione, forgiatura, lavorazione meccanica preliminare, ecc.).

Il prodotto realizzato, infatti, è il frutto di una progettazione ingegneristica ottimizzabile in funzione delle potenzialità della tecnologia da cui derivano un enorme risparmio energetico ed operativo.

Bisogna immaginare di tagliare in modo quasi totale tutta la filiera energetica che sta tra la produzione di un semilavorato grezzo e la costruzione di un prodotto finito, ottenuto per esempio, per deformazione plastica, lavorazione meccanica, trattamento termico, ecc..

Questa è l’enorme potenzialità che sta intrinsecamente contenuta nel processo dell’additive manufacturing, “è la tecnologia sostenibile per eccellenza che sul territorio bresciano non può mancare. Quindi tutte le iniziative degli ultimi anni organizzate da AQM, sono finalizzate a fare in modo che questa tecnologia abiliti le imprese bresciane e del territorio nazionale per fare quel salto tecnologico necessario per il futuro” spiega Ceselin.

Il dr. Paolo Folgarait, amministratore delegato di Seamthesis, partner tecnico di AQM, durante il suo intervento, spiega come con il termine e-mobility (electric mobility) ci riferiamo a tutti quei mezzi di trasporto e infrastrutture collegate, che utilizzano energia elettrica quale fonte primaria per generare l’energia meccanica necessaria alla movimentazione del veicolo.

Il concetto di mobilità elettrica oltre alle e-car, si estende a tutti i mezzi a due ruote: bici e moto elettriche nonché a tutte le applicazioni di mezzi di trasporto di superficie (camion, bus, treni, barche) e in campo aereonautico (passeggeri e cargo).

Il settore della e-mobility sta conquistando spazi di mercato sempre più ampi e ciò è dovuto principalmente a tre fattori:

  • la sostenibilità ambientale (connesso con il concetto di economia circolare);
  • la riduzione dei costi di rifornimento (connesso con le fonti energetiche;)
  • una grande capacità d’innovazione tecnologica e socio-economico-culturale (connesso col tema dei nuovi materiali, della manifattura additiva e dell’industria 4.0);

I paesi che utilizzano maggiormente la mobilità elettrica sono la Norvegia, l’Islanda e la Svezia.

Nel proprio rapporto “Electric Vehicle Outlook 2019” Bloomberg ha previsto per il 2025 il superamento dei 10 milioni di veicoli elettrici venduti in tutto il mondo, per arrivare a 28 milioni nel 2030 e 56 milioni nel 2040, quando le auto elettriche rappresenteranno il 57% delle vendite.

In Italia, la percentuale degli elettrici venduti e in circolo è ancora bassa. Nel 2020 le immatricolazioni di auto elettriche hanno superato le 30 mila unità, un + 165% rispetto all’anno precedente; ancora numeri modesti rispetto altri paesi nel mondo. Tuttavia, a favorire la crescita del mercato stanno contribuendo gli incentivi previsti dal governo col Decreto Rilancio, l’incremento dei modelli di auto disponibili e l’aumento delle infrastrutture di ricarica.

L’utilizzo di mezzi elettrici è in grado di azzerare le emissioni di gas serra e/o dannosi per l’uomo e l’ambiente con un notevole beneficio per l’ambiente e la nostra salute.

Non sono poi da sottovalutare i vantaggi economici: “fare un pieno” di energia elettrica è sicuramente meno costoso di un pieno di benzina, inoltre, l’auto elettrica ha costi di gestione ridotti rispetto alla tradizionale.

Le limitazioni a questi vantaggi sono ad oggi rappresentate dagli elevati costi iniziali d’acquisto dell’automobile elettrica unitamente alla scarsità di punti di ricarica pubblici sul territorio italiano, che condizionano la capacità di spostamento.

Per potersi affermare definitivamente la e-mobility ha la necessità di compiere ancora numerosi passi, soprattutto di natura tecnologica ed economica:

  • Ridurre i costi di approvvigionamento e manifattura delle componenti del motore elettrico e del pacco batterie. Le nuove tecnologie additive manufacturing possono giocare un ruolo importante a questo fine;
  • Aumentare efficienza e durata;
  • Ridurre i tempi di ricarica a parità di km percorsi;
  • Ridurre TCO (costo di acquisto), il costo iniziale è ancora troppo elevato;
  • Mantenere politiche a supporto della Mobilità Elettrica;
  • Rafforzare sinergie con la Guida Autonoma;
  • Rivedere la tecnologia delle batterie ad oggi principalmente basata sugli ioni di litio vista la scarsa quantità di litio presente sulla Terra.

Economia circolare vs EV e materia prima

L’economia circolare è un modello di produzione e consumo che implica condivisione, prestito, riutilizzo, riparazione, ricondizionamento e riciclo dei materiali e prodotti esistenti il più a lungo possibile. In questo modo si estende il ciclo di vita dei prodotti, contribuendo a ridurre i rifiuti al minimo.

Ci troviamo di fronte ad un aumento della domanda di materie prime e allo stesso tempo ad una scarsità delle risorse, comportando una dipendenza verso altri paesi. Non dimentichiamo l’impatto sul clima: i processi d’estrazione e utilizzo delle materie prime producono un grande impatto sull’ambiente e aumentano il consumo d’energia e le emissioni di anidride carbonica.

Grazie a misure come la prevenzione dei rifiuti, l’ecodesign e il riutilizzo dei materiali, le imprese europee otterrebbero un risparmio e ridurrebbero le emissioni annue di gas serra. La transizione verso un’economia circolare, dunque, può portare a numerosi vantaggi:

  • Riduzione della pressione sull’ambiente;
  • Più sicurezza circa la reperibilità delle materie prime;
  • Aumento della competitività;
  • Crescita economica;
  • Incremento dell’occupazione;
  • Prodotti più durevoli e innovativi per i consumatori.

Il contributo dei veicoli elettrici può esser estremamente importante da tanti punti di vista:

  • Efficienza energetica: gli EV (Electric Veicols) sono da 3 a 5 volte energeticamente più efficienti di quelli con motori a combustione interna (ICE);
  • Sicurezza energetica: diminuisce la dipendenza dai derivati del petrolio, diminuisce la necessità di importazione di idrocarburi, la produzione di elettricità avviene in vari modi anche a livello locale e/o domestico;
  • Inquinamento atmosferico: grazie all’azzeramento delle emissioni da combustibile;
  • Emissione GHG: grazie alla drastica riduzione dei veicoli ICE;
  • Riduzione inquinamento acustico: gli EV sono molto più silenziosi degli ICE;
  • Sviluppo industriale: tecnologie e materiali ad uso EV possono rappresentare un game changer per l’industria manifatturiera;

Manifattura additiva

I vantaggi di un ciclo di produzione additive sono: aumento di produttività, minor numero di step di fabbricazione, elevata automazione, minor scarti e maggior prestazioni dei materiali di costruzione.

Il valore aggiunto dell’innovazione sta nella concettualizzazione e realizzazione del concept prima ancora della sua produzione. Questo ha portato a sviluppare un approccio olistico, cioè la capacità d’andare a disegnare il processo attraverso software specialistici prima ancora di arrivare su una macchina di produzione. Questa strategia, inoltre, favorisce l’economia circolare.

Esempi di applicazione di E-Mobility

Le moderne applicazioni dei veicoli richiedono parametri prestazionali straordinari come: alta densità di potenza, funzionalità integrate, migliori proprietà termiche, meccaniche ed elettromagnetiche. La manifattura additiva offre un più alto grado di flessibilità in fase di design per raggiungere questi parametri di prestazione.

Gli studi più recenti mostrano che gli sforzi si concentrano principalmente sull’utilizzo delle tecnologie mAM per produrre singole parti di macchine o sottogruppi.

Il livello di ricerca è maturato per le componenti passive come gli assiemi per la gestione delle prestazioni meccaniche e termiche, rispetto alle componenti attive come bobine/avvolgimenti, nuclei e magneti permanenti. Si prevede il raggiungimento di target industriali significativi nell’arco dei prossimi 5 anni.

La mAM offre molti vantaggi rispetto alle tecniche di produzione tradizionale:

  • Utilizzo ottimale dei materiali (economia circolare);
  • Controllo sulla composizione dei materiali;
  • Ottimizzazione topologica funzionale;
  • Riduzione delle dimensioni e del peso grazie all’abilitazione di funzionalità integrate;

La mAM ha il potenziale per sostituire le tecniche di produzione convenzionale in modo completo anche se sono ancora da acquisire alcune funzionalità e prestazioni per poter realizzare il definitivo salto industriale della tecnologia: la dimensione massima del piatti di stampa (produttività), tempi e costi di produzione (competitività), alcune tecniche e processi di post-processing (finalizzazione), un più elevato livello di conoscenza delle proprietà elettromagnetiche di parte stampate 3D (know-how specifico).

Dal punto di vista progettuale e costruttivo, qualsiasi macchina elettrica può essere suddivisa in due sottoinsiemi di base:

  • Parti attive come il nucleo, le bobine avvolgenti, i magneti permanenti. Sono responsabili delle principali funzionalità dell’auto elettrica.
  • Parti passive come i componenti per la gestione termica e gli assemblaggi meccanici, il corpo, alberi e cuscinetti, sistemi di raffreddamento, ecc.. Questi assiemi devono avere funzionalità integrate per raggiungere compattezza e miglioramento.

L’Additive manufacturing ha molto da offrire nei vari aspetti del processo produttivo dei veicoli elettrici, in particolare in termini di: riduzione dei tempi e dei costi di produzione, riduzione del peso, miglior controllo sulle proprietà magnetiche, minor dipendenza da materie prime pregiate, abilitazione di realizzazioni progettuali complesse, eliminazione di molte lavorazioni meccaniche, aumento della densità di potenza.

Le soluzioni della e-mobility possono essere applicate in vari settori come quello delle moto basate su motore elettrico (es: Harley Davidson LiveWire, Energica Ego RS, Zero RS, Super Soco TC Max, BMW Motorrad, Ducati zero) o quelle in ambito ciclistico con le e-bike.

L’applicazione dell’elettrico è importante anche nel campo navale. Alcuni esempi sono: traghetto auto elettrico, nave da crociera a propulsione elettrica, nave container elettrica, OPS Onshore Power Supply, ovvero sistemi di caricamento delle batterie a bordo nave.

Nel settore aeronautico oggi si inizia già a volare su aerei a propulsione elettrica come il velivolo HY4 progettato da DLR in collaborazione con l’azienda Pipistrel, con un motore elettrico da 80 Kw.

Su strada i bus elettrici (e-bus) sono già abbastanza diffusi, quest’anno uscirà anche il camion elettrico Nikola, nato dalla collaborazione tra Iveco e CNH Industrial.

Le aziende oggi sono, dunque, impegnate nello sviluppo di mezzi elettrici, con meno componenti, meno ingombranti e più leggeri. Conclude il presidente di CLM: “sarà vincente colui che riuscirà a fare dei veicoli elettrici che siano più performanti ed economicamente sostenibili”.

Per riuscire a stare al passo con l’evoluzione e lo sviluppo di queste tecnologie, sottolinea Nadia Zilio, resp. Commerciale AQM, “c’è quindi un forte bisogno di ampliare le competenze, di fare upskilling e reskilling dei propri collaboratori, in particolare sulla gestione dei nuovi processi (tra cui la additive manufacturing) e dei nuovi materiali, realizzabile grazie alla formazione delle proprie risorse”. Una formazione che può essere concretizzata grazie anche alle tante opportunità di finanziamento disponibili come il Bando Innovazione di Fondimpresa.

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