KetLab@ART

Il ketlab art 12@ART

 

Premessa

ketlab art 1Il Lazio è leader in italia per l'innovazione, è al primo posto per l'occupazione nel settore dei servizi ad alta tecnologia, per la spesa in ricerca e sviluppo degli enti pubblici e universitari, per la spesa totale in information technology. La struttura del sistema produttivo è caratterizzata da circa il 90% di imprese di piccole dimensioni, appare evidente quindi la necessità di rivedere, alla luce della presenza sui mercati internazionali di Paesi nuovi i cui prodotti sono ampiamente competitivi con i nostri, la specializzazione settoriale del sistema produttivo e gli eventuali nuovi sbocchi. Da qui l'importanza di partire dal "territorio" come possibile elemento catalizzatore, per lo sviluppo del sistema delle imprese in ambiti tecnologicamente avanzati e competitivi nel contesto internazionale, e la necessità di rendere efficiente ed efficace il collegamento e l'operatività del Sistema ricerca nelle sue tre componenti (Università, Enti pubblici di ricerca, Imprese).

Nel territorio di Frascati e in quello confinante del Comune di Roma, nell’area di Tor Vergata, c’è il più importante raggruppamento di Enti di Ricerca ed Universitario d’Italia, e tra i più rilevanti in Europa. Oltre all’Università di Tor Vergata, hanno sedi e laboratori in quest’area:

l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, con i Laboratori Nazionli di Frascati, il Centro Ricerche Enea di Frascati, l’ESA – ESRIN, l’Agenzia Spaziale Europea, l’ASI Agenzia Spaziale Italiana, l’INAF Istituto Nazionale di AstroFisica ed il CNR con numerosi Istituti.

In questo contesto territoriale è nato il primo KET Lab, il Ket Lab@ART (Area Ricerca Tuscolana), creando una spazio comune nel quale Enti di Ricerca, Dipartimenti universitari ed Imprese operano per trovare interessi comuni e sinergie, promuovendo il trasferimento tecnologico come metodo concreto di crescita favorirendo la collaborazione tra mondo scientifio e mondo industriale. Queste realtà rappresentano il mercato di riferimento in coerenza con che quelli che per Horizon 2020 gli obiettivi per la ricerca e l’innovazione tecnologica, della comunità europea.

Le attività:

Il Ket Lab@ART (Area Ricerca Tuscolana) sviluppa al suo interno tre verticali tecnologiche:

  • Advanced Manufacturing
  • Bioengineering
  • Advaced Material for Space & Technology scale-up


Partecipa alla Flagship del Grapheme e sta realizzando in collaborazione con il Consorzio Nazionale Italiano per le Telecomunicazioni CNIT, uno Space Cyber Security innovation HUB che dovrà svolgere attività di orientamento alle imprese, formazione, ricerca industriale e sviluppo sperimentale nel campo della Cyber Security per lo Spazio.

Dispone inoltre di “facilies” tecnologiche e servizi a disposizione delle imprese.

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L’ Advanced Manufacturing Benchmarking Center

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Nel KET LAB@ART è ospitato il centro di manifattura avanzata per lo spazio che vuole essere uno dei più importanti punti di riferimento in Europa nel campo del 3D printing di componenti spaziali.

E’ una collaborazione tra la Fondazione Amaldi e realtà sia aziendali che universitarie a livello nazionale. Il centro offre eccellenze per tutti gli aspetti della progettazione, della produzione e del testing del componente, fino a determinarne la qualifica secondo gli standard europei vigenti. Grazie alle competenze e alle strutture messe a disposizione dai partecipanti specializzati in produzione e caratterizzazione dei materiali, al parco macchine più ampio d’Europa e alle conoscenze all’avanguardia di progettazione sia in contesti industriali che universitari, si può garantire un livello di eccellenza in termini di qualità e affidabilità di produzione, a servizio di qualsiasi soggetto interessato.

Si effettuano, inoltre, studi volti al miglioramento dell’attuale stato dell’arte tecnologico mirati al design ed al reverse engineering, all’ottimizzazione dei processi produttivi delle materie prime (specialmente polveri metalliche), delle prestazioni delle stesse e caratterizzazione chimica e strutturale dei prodotti, tracciando una relazione con l’iter di processo effettuato.

Nel Centro, inoltre, si possono realizzare studi volti al miglioramento dell’attuale stato dell’arte tecnologico mirati al design ed al reverse engineering, all’ottimizzazione dei processi produttivi delle materie prime (specialmente polveri metalliche), delle prestazioni delle stesse e caratterizzazione chimica e strutturale dei prodotti, tracciando una relazione con l’iter di processo effettuato. La strategia del Centro di Competenze e Benchmarking della Fondazione Amaldi si basa sulla messa a disposizione degli utenti, della conoscenza della nuova tecnologia ottenibile con l’impiego diretto della strumentazione e delle stampanti, dei processi di produzione e dei materiali utilizzabili e da utilizzare. I tecnici/ricercatori delle società ospiti possono sottoporre le problematiche da affrontare e condividere con i ricercatori associati al centro, il piano di produzione o di ricerca e sviluppo.

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La caratteristica distintiva della stampa tridimensionale di metalli, ramo dell’additive manufacturing (AM) ed in particolare della PBF (Power Bed Fusion), che comprende sia la SLM (Selective Laser Melting) che la SEBM (Selective Electron Beam Melting), di produrre un oggetto strato per strato attraverso la fusione selettiva e successiva solidificazione di letti di polveri, ha dimostrato diversi vantaggi rispetto ai processi di produzione convenzionali. Si citano, tra gli altri, la flessibilità associata alla realizzazione di parti con complesse geometrie e la microstruttura raffinata. Questa ultima derivata dal non equilibrio della struttura cristallina dovuta alla rapida solidificazione tipica della stampa 3D.

I settori industriali che hanno subito compreso e approfittato di questi vantaggi sono il biomedicale, con la messa in produzione di protesi principalmente in titanio e cromocobalto e l’automotive, iniziando dal motor-racing ed estendendosi gradualmente alle autovetture di lusso, le cosiddette fuori serie. Ma la tecnologia della stampa 3D di metalli o più propriamente dell’Additive Manufacturing (AM), va espandendosi velocemente anche in altri settori più tradizionali come il packaging e la meccanica in generale.

I principali vantaggi nel settore aerospazio dei processi AM sono in sintesi:

  • Aumentare le prestazioni - Ridurre la massa (costruzione leggera, efficienza delle risorse)
  • Aumentare l'efficienza (processi di combustione, superfici / canali formati liberi) - Integrazione di canali di raffreddamento chiusi e complessi (ad esempio, propulsori, applicazioni termiche)
  • Semplificare la produzione e aumentare la sicurezza della produzione - Integrazione di numerose funzioni in un singolo componente senza sforzi di assemblaggio
  • Produzione rapida - Non c'è bisogno di strumenti - Nessuna necessità di approvvigionamento a lungo termine di materiale di scorta
  • Parti sagomate complesse - Consentire la progettazione/fabbricazione alternativa di parti che richiedono una lavorazione superiore all'80% del materiale iniziale.


Lo scenario italiano

L’industria spaziale italiana detiene il massimo rapporto tra spese per ricerche e valore della produzione. Secondo un rapporto dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI ) esso vale l'11%, a fronte del 5,1% nell'high-tech, e del 0,9% nel manufacturing. Ciononostante l’introduzione di questa nuova tecnologia in questo ambito procede, almeno finora, molto lentamente. Il successo dei lanci e delle missioni in generale sono stati l’obiettivo primario al quale concedere ampie ridondanze a partire dai costi.


ketlab art 5Tale filosofia, negli anni passati, è valsa sia per i palloni stratosferici che per le più impegnative missioni interplanetarie. Questo paradigma sta però cambiando velocemente in particolar modo per l’uso commerciale della tecnologia spaziale e per la discesa in campo di operatori nuovi e privati. L’avvento di Space X con i suoi lanciatori parzialmente riutilizzabili ne è l’esempio più lampante.

Recentemente la NASA ha pubblicato (1) i suoi studi per la realizzazione di camere di combustione mediante stampa 3D, per ottenere con essa un dispositivo più leggero e con costi ridotti. L’industria europea e in particolare italiana non possono che adeguarsi. Secondo una ricerca di vari istituti universitari e dell’ASI, in Italia si contano 56 unità produttive, delle quali circa la metà industrie spaziali pure. Impegnate nella costruzione di satelliti, vari veicoli e robot spaziali, lanciatori, stazioni di controllo a terra, servizi per le telecomunicazioni e il monitoraggio meteorologico, dell'ambiente, delle emergenze umanitarie e della sicurezza e difesa. A esse si aggiungono una miriade di PMI che a vario titolo e missione per missione sono coinvolte direttamente o come terzisti in questo innovativo campo industriale. In special modo per queste ultime, ma non solo, investire in nuove tecnologie di produzione, e in particolare quella di AM che è capital intensive, prima di valutare il beneficio possibile, è arduo. In Italia sono presenti vari provider disponibili a eseguire in conto lavorazione componenti realizzati per stampa. Ma la valutazione della sua effettiva convenienza non può passare se non per una vera conoscenza della tecnologia, derivante dal suo utilizzo in prima persona, e dalla sua applicazione al particolare componente che si vuole realizzare. A tale scopo si vuole far nascere un centro di competenza e benchmarking aperto. In esso sono messe a disposizione sia le macchine che un serie di competenze che vanno dalla scienza dei materiali alla riprogettazione dei componenti che sfrutti i tutti vantaggi possibili della stampa 3D.

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Bioengineering

L’Area di Specializzazione (AdS) delle Life Sciences mira ad individuare le tecnologie e i prodotti di ricerca ragionevolmente maturi per una successiva evoluzione per applicazioni spaziali (spin-in). In particolare, considerando missioni di lungo periodo e/o future colonizzazioni di corpi celesti (Luna, Marte) è necessario valutare criticamente i relativi vincoli intrinseci dovuti alle diverse condizioni di gravità e all’implementazione di protocolli operativi specifici per lo svolgimento delle attività quotidiane. Il tutto inquadrato in una condizione di isolamento prolungato che richiede l’inevitabile messa in opera di un sistema generale di mantenimento dei processi vitali che garantisca l’autosufficienza a tutti i livelli.

ketlab art 7Concentrando l’attenzione sugli aspetti medico-sanitari si evidenzia automaticamente la delicatezza delle procedure e delle metodiche che devono essere sviluppate ed ottimizzate per (i) assicurare un determinato livello di qualità della vita e (ii) intervenire efficacemente nel caso in cui un membro dell’equipaggio incorra in un trauma importante o sviluppi una patologia non più controllabile mediante l’uso esclusivo di farmaci o integratori.

Il know-how nel settore biomedicale, sempre in costante aggiornamento, disponibile presso KETlab favorisce l’incontro di realtà accademiche e industriali intorno ad un obiettivo comune per stabilire delle collaborazioni a più livelli, a partire dalla ricerca di base fino al trasferimento tecnologico.

 

 

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Principalmente attiva nella progettazione, realizzazione e caratterizzazione di strutture biocompatibili, secondo i criteri dell’ingegneria dei tessuti e medicina rigenerativa, KETlab valuta le potenziali ricadute di materiali biocompatibili alternativi elaborati con tecniche di fabbricazione ad hoc, presentandosi come un polo d’attrazione per promuovere un effettivo avanzamento scientifico.


Materiali avanzati per lo spazio e scale up tecnologico

Il laboratorio per i materiali avanzati e lo scale up tecnologico è il centro nevralgico delle attività di R&S del KETLAB che si incontrano con le richieste di trasferimento tecnologico industriale a livello nazionale ed internazionale. E' un laboratorio in cui le varie competenze si fondono attivamente allo scopo di rispondere alle specifiche richieste industriali. Le sue funzionalità sono necessarie per il passaggio delle tecnologie dalla realtà di R&S verso un possibile scale-up per le applicazioni e la produzione industriale portando i prototipi elaborati ad un livello pre-industriale.

ketlab art 10Il laboratorio di scale up del KETLAB ospita 4 sistemi: il sistema di sinterizzazione HIP (Hot Isostatic Pressure), il prototipo per la produzione industriale di celle fotovoltaiche a base della tecnica PED e il sistema di serigrafia UV.
La Macchina HIP (Hot isostatic pressure) è una strumentazione utilizzata per la creazioni di elementi complessi che risultano dall’aggregazione di polveri di diversi materiali opportunamente scelti. Questo risultato viene ottenuto con un processo caratterizzato da una temperatura di circa 2000°C ed una pressione di circa 2000 bar.

L’ambito fotovoltaico è risultato estremamente fertile per l’applicazione della tecnica LTPED in quanto si è voluto studiare l’applicazione della stessa nella produzione di celle fotovoltaiche di nuova generazione. L’aspetto innovativo di queste ultime consiste nell’utilizzare come materiale attivo al processo di conversione fotoelettrico il semiconduttore CIGS, un materiale composto da Rame, Indio, Gallio e Selenio che per sua natura è molto difficile da depositare con qualità e riproducibilità su una determinata superficie con altre tecniche.

Il lavoro del laboratorio di progettazione e messa in funzione di sistemi complessi ad alta tensione è incentrato sull'elettronica ad alta tensione necessaria al funzionamento di alcune tecniche di deposizione a film sottile, in particolare quella che permette la deposizione di materiali utilizzando sorgenti ad elettroni pulsati (Pulsed Electron Deposition, PED). Questi sistemi hanno la necessità di scaricare un fascio elettronico ad alta densità di potenza in un tempo molto breve, riducendo al minimo il rumore del processo.

ketlab art 11A tal fine il laboratorio ha messo a punto un innovativo switch ad alta tensione che consente alla sorgente di generare fasci elettronici impulsati di durata inferiore ai 200 ns con una potenza istantanea dell’ordine delle decine di MW. I diversi anni di ricerca in questo ambito hanno permesso di ottenere ottimi risultati sul controllo del fascio elettronico, sui sistemi di alimentazione e switch ad alta tensione. Inoltre, in questo laboratorio si sono svolte attività di progettazione avanzata di circuiti ad alta tensione tra cui: alimentatori switching per plasma, switch ad alta tensione sia a stato solido che a gas, circuito di scarica veloce, circuiti di isolamento e schermatura dai disturbi.

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