Il processo di manifattura additiva sta assumendo sempre più una rilevanza di interesse industriale, potendo ambire a sostituire i processi di stampaggio ad iniezione per la manifattura di componenti a geometria complessa da produrre in lotti contenuti. Per tali applicazioni, il ritorno economico conseguibile non giustifica l'investimento da realizzare per stampi e presse ad iniezione, rendendo, di fatto, competitive le tecniche di manifattura additiva. Il campo di applicazione della manifattura additiva è di sovente limitato dalle caratteristiche dei materiali presenti sul mercato, i quali sono limitanti per quantità, tipologia e funzionalità. Tali materiali spesso non offrono i requisiti prestazionali che il prodotto finito richiederebbe e la possibilità di customizzazione è molto ridotta, limitandosi i produttori ad offrire materiali con caratteristiche idonee alla maggior parte degli impieghi. Tale criticità può essere superata studiando e implementando un processo innovativo per la produzione di filamenti per manifattura additiva. La progettazione dell'architettura della linea di produzione di filamenti con proprietà custom-made è dunque l'oggetto del presente programma di ricerca. Le macchine standard sono costituite da un estrusore monovite, una matrice di estrusione, una filiera attraverso la quale il filamento è calibrato e raffreddato ed un sistema di tiro per avvolgere il filamento. Tali macchine non permettono customizzazioni del prodotto, in quanto dispongono di un'alimentazione a tramoggia mono-componente, la quale determinerà le proprietà finali del filamento. Pertanto, la presente ricerca svolgerà azioni finalizzate alla riprogettazione del sistema di estrusione, sostituendo l'alimentazione con un set di dosatori gravimetrici e impiegando un estrusore bivite corotante con profili di masticazione. Tale sistema permetterebbe di gestire molteplici costituenti, consentendo di customizzare le proprietà del filamento sulla base delle esigenze finali.
La manifattura additiva è considerata una tecnologia dirompente, ovvero una tecnologia che cambierà significativamente la concezione delle tecniche di produzione ad oggi adottate nel settore manifatturiero, soprattutto con riferimento alle tecnologie di produzione di lotti di piccole dimensioni. Allo stato attuale, non è ancora pensabile l'utilizzo di tecnologie di manifattura additiva nella produzione di massa, tuttavia nelle situazioni in cui è richiesta un'elevata specializzazione delle caratteristiche del manufatto, tempi brevi di produzione e lotti limitata, la manifattura additiva si pone come alternativa affidabile alle tecnologie di produzione più consolidate, sia nell'ambito delle materie plastiche che nell'ambito dei materiali metallici. Come anticipato nelle precedenti sezioni, la manifattura additiva è, in realtà, un insieme di tecnologie che può essere impiegata a materiali di diversa natura. Di particolare interesse, è il segmento delle tecnologie di manifattura additiva applicata al settore delle materie plastiche ed, in particolar modo, ai polimeri termoplastici che possono essere alimentati alle macchine mediante filamenti o, più raramente, attraverso polveri che possono essere successivamente rifuse o comunque consolidate. Si è già sottolineato come le tecnologie di manifattura additiva non possano al momento essere considerate come sostitutive di tecnologia di produzione di massa e ciò è ancor più vero nel settore delle materie plastiche. Allo stato attuale, la produzione di componenti a forma complessa in materiale plastico è per lo più riservata alla tecnologia di stampaggio ad iniezione, tecnologia che tuttavia richiede investimenti ingenti per l'acquisizione della pressa ad iniezione e, soprattutto, per la necessità di progettare e far costruire uno stampo con caratteristiche customizzate sullo specifico componente da produrre. Se ci sono anche piccole variazioni sulle caratteristiche geometriche e funzionali del componente da produrre, lo stampo andrà accantonato e sostituito con uno di nuova costruzione e basato su un progetto differente. Per situazioni caratterizzate pertanto da esigenze di continua variazione delle caratteristiche del prodotto finito, per tempi di immissione sul mercato brevi (che non possono attendere i tipici tempi di start up di uno stampo per il processo di stampaggio ad iniezione che sono di almento 3 o 4 mesi), per lotti di produzioni di piccola dimensione, la manifattura additiva si pone come valida alternativa dei processi di produzione per stampaggio ad iniezione.
In tale contesto generale, il presente progetto ambisce a dimostrare la possibilità di customizzare le proprietà del materiale con cui è realizzato il filamento, potendo con ciò ulteriormente allargare il campo di applicazione delle tecnologie di manifattura additiva. Come precedentemente menzionato, le tecnologie di manifattura additiva devono necessariamente affidarsi a filamenti disponibili commercialmente, realizzati con materiali standard, con un bassissimo livello di customizzazione. Sovente tali materiali non sono idonei ad applicazioni specifiche, essendo di norma realizzati con materiali polimerici con caratteristiche generalistiche e che devono soddisfare un ampio range di applicazione. Lo svolgimento delle azioni del presente programma di ricerca permetterebbe pertanto di (i) definire in prima istanza i criteri progettuali di materiali idonei alla produzione di filamenti con proprietà custom per la manifattura additiva, con particolare focus sul settore dei materiali bioplastici compostabili ed, in particolare, sul settore dei polimeri dell'acido lattico (PLA); di (ii) definire, inoltre, un'architettura di un bene strumentale necessario per produrre filamenti per manifattura additiva con proprietà custom, prodotti estrudendo in maniera altamente controllata i singoli costituenti necessari, così come stabilito dagli studi pregressi definiti al precedente punto (i).
Tali azioni di ricerca permetterebbero di realizzare un significativo avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte delle stesse nel settore della manifattura additiva ed, in particolare, nel settore dei materiali plastici idonei al processo di fabbricazione di filamenti con proprietà custom per la manifattura additiva. Tale incremento delle conoscenza spingerebbe, inoltre, l'impiego della manifattura additiva in settori merceologici, finora esclusivamente campo di azioni di tecnologie consolidate come, ad esempio, lo stampaggio ad iniezione. La sostituzione progressiva dello stampaggio ad iniezione con la manifattura additiva potrebbe, inoltre, rappresentare un significativo vantaggio anche di tipo ambientale, non richiedendo la manifattura additiva i consumi energetici e gli scarti di materiali normalmente necessarie per condurre i processi di stampaggio ad iniezione, come anche tutti gli altri processi di trasformazione delle materie plastiche utilizzando le tecnologie dell'hot melting.