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Plasmare il futuro con le casse in titanio di Apple Watch stampate in 3D
Tutto è partito da un’idea improbabile: e se la stampa 3D, storicamente utilizzata per creare prototipi, si potesse usare anche per produrre milioni di casse identiche secondo gli esatti standard di progettazione Apple, con metallo riciclato di alta qualità?
“Non era una semplice idea, ma un’idea che voleva diventare realtà”, dice Kate Bergeron, Vice President of Product Design di Apple. “Subito dopo esserci posti questa domanda, abbiamo iniziato a fare dei test. Attraverso una prototipazione continua, l’ottimizzazione dei processi e la raccolta di un’enorme quantità di dati, dovevamo dimostrare che questa tecnologia era in grado di soddisfare gli elevati standard di qualità che richiediamo.”
Quest’anno, tutte le casse in titanio di Apple Watch Ultra 3 e Apple Watch Series 11 sono stampate in 3D con il 100% di polvere di titanio di grado aerospaziale riciclato, un risultato che prima era considerato impossibile da raggiungere su larga scala. Tutti i team Apple hanno unito le forze per un obiettivo comune. Series 11 doveva avere una finitura a specchio perfetta. Ultra 3 doveva mantenere la sua resistenza e la sua leggerezza per soddisfare le esigenze di chi ama l’avventura. Entrambi dovevano anche essere migliori per il pianeta, garantire le stesse prestazioni e usare materiali di qualità uguale o superiore.
"In Apple, ogni team considera l’ambiente un valore fondamentale”, afferma Sarah Chandler, Vice President of Environment and Supply Chain Innovation di Apple. “Sapevamo che la stampa 3D era una tecnologia con un enorme potenziale in termini di efficienza dei materiali, fondamentale per raggiungere il nostro obiettivo per il 2030.”
Apple 2030 è l’ambizioso piano intrapreso da Apple per rendere la sua intera carbon footprint a impatto neutro entro la fine di questo decennio, comprendendo anche la filiera produttiva e il ciclo di vita dei prodotti. Già ora, tutta l’energia elettrica usata per la produzione di Apple Watch proviene da fonti rinnovabili come l’eolico e il solare.
Utilizzando il processo additivo della stampa 3D, si stampano vari strati fino a ottenere un oggetto il più possibile simile alla forma finale desiderata. Normalmente, la lavorazione dei pezzi forgiati è sottrattiva e richiede la rimozione di grandi quantità di materiale. Grazie a questo cambiamento, per produrre le casse in titanio di Ultra 3 e Series 11 basta la metà della materia prima rispetto alle generazioni precedenti.
“Una riduzione del 50% è un risultato straordinario: con la stessa quantità di materiale che prima si usava per produrre un orologio ora se ne ottengono due”, spiega Chandler. “Se si pensa all’intero processo, i risparmi per il pianeta sono enormi.”
Grazie a questo nuovo processo, Apple stima che solo quest’anno verranno risparmiate oltre 400 tonnellate di titanio grezzo.
Negli ultimi dieci anni, Apple ha sperimentato con la stampa 3D mentre il settore stesso stava iniziando a decollare. I laboratori ospedalieri usavano le prime protesi e i primi organi artificiali stampati in 3D, e anche oltre l’atmosfera terrestre, gli astronauti stavano scoprendo la velocità e la facilità con cui è possibile stampare in 3D strumenti vitali a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
“Abbiamo osservato questa tecnologia maturare per molto tempo e abbiamo visto i prototipi diventare sempre più fedeli ai nostri progetti”, afferma il prof. J Manjunathaiah, Senior Director of Manufacturing Design for Apple Watch and Vision di Apple. “L’intenzione è sempre stata quella di usare meno materiale per realizzare i nostri prodotti. In passato non eravamo in grado di produrre parti cosmetiche su larga scala con la stampa 3D. Così abbiamo iniziato a sperimentare la stampa 3D in metallo per le parti estetiche.”
Per Apple, funzionalità, bellezza e resistenza sono requisiti fondamentali. A questi si aggiungono scalabilità, test rigorosi di affidabilità, prestazioni e persino innovazioni nella scienza dei materiali, il tutto assicurandosi che Apple non rimanga indietro rispetto ai propri obiettivi di decarbonizzazione per il 2030.
Osservando dall’alto, file di blocchi sporgono dal terreno come grattacieli bianchi di Lego, ronzando giorno e notte. Sono le stampanti 3D che producono le casse in titanio per Apple Watch Ultra 3 e Series 11.
Ogni macchina è dotata di un galvanometro con sei laser che funzionano in simultanea per stampare, uno dopo l’altro, gli oltre 900 strati necessari per completare una singola cassa. Ma prima che le stampanti possano mettersi al lavoro, il titanio grezzo deve essere atomizzato in polvere, un processo che richiede una regolazione accurata del contenuto di ossigeno per ridurre le proprietà del titanio che diventano esplosive se esposte al calore.
“Era scienza dei materiali all’avanguardia”, afferma Bergeron.
“La polvere doveva avere un diametro di 50 micron, come la sabbia molto fine”, spiega Manjunathaiah. “Quando la colpisci con un laser, si comporta in modo diverso a seconda che contenga ossigeno o meno. Quindi abbiamo dovuto capire come mantenere basso il contenuto di ossigeno.”
“Per ottenere strati con uno spessore esatto di 60 micron bisogna stendere questa polvere con estrema precisione”, aggiunge Bergeron. “Dovevamo agire velocemente per rendere il progetto scalabile ma al contempo procedere in più lentamente possibile per lavorare con precisione. Questo ci ha permesso di essere efficienti e di raggiungere comunque gli obiettivi del progetto.”
Quanto le stampanti terminano il loro lavoro, un operatore aspira la polvere in eccesso dal piano di costruzione in un processo di rimozione grossolana della polvere residua. Poiché i pezzi stampati hanno una forma molto simile a quella definitiva, compresi tutti gli incastri della cassa, è possibile che rimanga della polvere negli angoli e nelle fessure. Un agitatore a ultrasuoni fa sì che questa polvere residua venga eliminata durante la fase di rimozione fine.
Durante il processo di separazione, un sottile filo elettrificato taglia ogni singola cassa, mentre contemporaneamente viene spruzzato un liquido refrigerante per mantenere basso il calore generato dal processo di taglio. Un sistema di ispezione ottica automatizzato misura quindi ogni singola cassa, verificando che le dimensioni e l’aspetto estetico siano corretti. Questo è l’ultimo controllo di qualità per garantire che le casse siano pronte per la lavorazione finale.
“Gli ingegneri meccanici devono essere i più abili al mondo nel risolvere enigmi”, afferma Bergeron. “Prendono il circuito stampato, il display, la batteria, tutti i componenti che vengono inseriti all’interno della cassa durante l’assemblaggio finale, e li adattano. Durante il processo effettuiamo dei test per assicurarci che l’orologio sia funzionante; quindi aggiungiamo il software e lo eseguiamo per un certo periodo di tempo al fine di verificare che tutte le funzioni soddisfino i nostri requisiti.”
Un altro importante miglioramento reso possibile dalla stampa 3D è la stampa di texture in punti che, nel processo di forgiatura, risultavano inaccessibili. Per Apple Watch, ciò ha significato poter migliorare il processo di impermeabilizzazione dell’alloggiamento dell’antenna nei modelli con connettività cellulare. All'interno della cassa di questi modelli c’è una fessura riempita di plastica che consente all’antenna di funzionare, e la possibilità di stampare in 3D una texture specifica sulla superficie interna del metallo ha permesso a Apple di ottenere un migliore adesione tra plastica e metallo.
Mettere insieme tutti pezzi del puzzle ha richiesto un percorso pluriennale iniziato con una serie di demo e prove di concetto per mettere a punto ogni dettaglio, dalla composizione specifica della lega al processo di stampa stesso. Dopo averlo testato su scala molto più ridotta nelle precedenti generazioni di prodotti, il team aveva fiducia nella sua capacità di risolvere le sfide particolari poste dal titanio.
“Cerchiamo sempre di progredire un passo alla volta”, afferma Bergeron. “Questo ci ha dato una flessibilità di progettazione ancora maggiore. Ora che abbiamo raggiunto questo importante traguardo su larga scala, in modo realmente sostenibile e con le caratteristiche estetiche e strutturali di cui avevamo bisogno, le possibilità sono infinite.”
Questa flessibilità di progettazione ha reso possibile un altro vantaggio che va al di là di Apple Watch: la porta USB-C sul nuovo iPhone Air. Usando la stessa polvere di titanio riciclato per creare una porta completamente nuova con un guscio in titanio stampato in 3D, Apple ha ottenuto un design incredibilmente sottile ma resistente.
Questa è la magia che può nascere quando leggi della fisica, innovazione dei materiali, un design senza pari e un impegno incrollabile verso l’ambiente si allineano alla perfezione.
“Ci impegniamo tantissimo per favorire cambiamenti sistemici”, dice Chandler. “Non facciamo mai una cosa tanto per farla ma perché diventi il modo in cui funziona l’intero sistema. Da sempre, il nostro obiettivo principale è progettare prodotti migliori per le persone e per il pianeta. Quando uniamo le forze per innovare senza compromessi nel campo del design, della produzione e dei nostri obiettivi ambientali, i vantaggi sono esponenzialmente maggiori di quanto potremmo mai immaginare.”
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