Il WP1, Smart metal additive manufacturing per strutture 4D funzionalizzate, è dedicato ai processi Additive Manufacturing, declinati secondo il tema del progetto LIS4.0, ovvero lo studio di strutture lightweight e smart, integrate, progettate, realizzate e sensorizzate usando i paradigmi di I4.0 nel settore della mobilità sostenibile.

L'Additive Manufacturing (AM) consente il design e la realizzazione di componenti ad elevate prestazioni e sostenibili, attraverso l’adozione di innovative metodologie di progettazione, l'utilizzo di materiali leggeri, a densità variabile e strutture lattice, con funzionalità ottimizzate, assicurate anche da una fabbricazione defect-free grazie alla simulazione, al sensing e al monitoraggio di processo. Le attività del WP1 hanno riguardato tutti le fasi che portano a questa nuova famiglia di prodotti leggeri, funzionalizzati e smart realizzati attraverso AM:

• la progettazione,
• lo studio dei materiali e la qualifica delle loro prestazioni,
• i processi zero defect,
• la simulazione e al monitoraggio di processo.

e si sono concluse con lo studio di un dimostratore di processo SLM sensorizzato e di due casi di studio.

Per quanto riguarda la progettazione AM sono stati approfonditi i metodi e gli strumenti per la progettazione di prodotti realizzati con processi AM, adottando ontologie dedicate allo scopo di formalizzare le conoscenze relative alle regole per la progettazione AM. Sono state inoltre sviluppate metodologie progettuali che, partendo dalla valutazione delle proprietà meccaniche statiche e a fatica di materiali cellulari ottenuti tramite processo AM, permettono di ottenere strutture che soddisfano requisiti meccanici sofisticati, con una qualità della geometria superiore rispetto alle tradizionali metodologie proposte in letteratura.

Sul tema dei materiali AM, centrale per lo sviluppo delle tecnologie additive, il WP1 ha affrontato lo studio polveri per nuovi materiali AM, con l’analisi delle proprietà della polvere che ne caratterizzano la processabilità. Al fine di migliorare la sostenibilità del processo si è valutato, su particolari composizioni appositamente progettate per la stampa additiva, come e in che quantità sia possibile riciclare parte della polvere coinvolta nel processo di stampa, ma non fusa. Altri temi affrontati sono stati lo studio di leghe metalliche innovative e acciai speciali per additive manufacturing, la valutazione di materiali metallici e ibridi a cambiamento di fase, in particolare per la realizzazione di scambiatori di calore, oltre allo sviluppo di nuovi materiali ottenuti da binder jetting (metallici, ceramici, ibridi e strutture multi-materiale – con particolare attenzione ai materiali piezoceramici).

I processi AM sono stati approfonditi con particolare attenzione a due approcci considerati particolarmente promettenti. Sono stati studiati i processi EAM (Extrusion-based AM), con particolare riferimento al metodo della stampa mediante estrusione di feedstock metallico BMD (Bound Metal Deposition) che, sfruttando la presenza nel composto metallico del legante polimerico, consente di ottenere componenti in materiali difficili da stampare mediante tecniche a fusione, come il rame o gli acciai per utensili. Si è inoltre affrontato lo studio dei processi LPBF (Laser Powder Bed Fusion) adattativi e high-precision, adottando, grazie ad una stampate SLM (Selective Laser Melting) in configurazione open, degli approcci innovativi sia in termini di sorgenti laser adottate che di sensorizzazione, anche con termocamere, coordinando la movimentazione del fascio laser e della racla con l'azione dei sensori. Sono state inoltre svolte caratterizzazioni morfologico-dimensionali e reologiche delle polveri, studiando l’impatto dei relativi parametri sulla qualità del manufatto.

Si è infine approfondita l’applicazione della simulazione e del monitoraggio di processo grazie allo studio di tecniche di intelligenza artificiale, elaborando i dati di processo raccolti attraverso i sensori, tra cui fotocamere e termocamere, per tutta la durata del processo, al fine di identificare automaticamente condizioni anomale e instabilità di processo, anticipando il riconoscimento di difetti nella parte in produzione, così da poter intervenire, quando possibile, con azioni correttive e adattative, per ridurre gli scarti e migliorare qualità e produttività degli impianti.

Per quanto riguarda i dimostratori, tramite il sistema SLM open e sensorizzato di LIS4.0 si è poi ottimizzato il processo SLM in una modalità di stampa innovativa, che permette l'ottenimento di pareti molto sottili e di geometrie a sbalzo che non necessitano di supporti.

Sono infine stati sviluppati prodotti dimostratori, nell’ambito automotive, principale settore applicativo del progetto LIS4.0. Un prototipo è la camicia di raffreddamento per un motore elettrico in-wheel della vettura sviluppata dal team DynamiΣ per la Formula SAE. Questo componente è stato progettato per essere prodotto in lega di alluminio tramite SLM ed è caratterizzato dall’utilizzo di strutture TPMS (triply periodic minimal surface), ed in particolare giroidi, che offrono le migliori prestazioni di scambio termico in base ai risultati ottenuti con analisi numeriche di fluidodinamica (CFD).

Si è inoltre sviluppato un nuovo dispositivo di sostentamento di tipo TPJB (Tilting Pad Journal Bearing) da applicare in sistemi di generazione di potenza con ottimizzazione dello scambio termico, progettato con strutture a densità variabile mediate ottimizzazione topologica e stampato in rame puro mediante BMD.