Materiali per ricetta: kit in polvere per maggiore flessibilità e diversità di materiali nella stampa 3D

25 luglio 2022

di Martina Ohle, Società Fraunhofer

La fusione del raggio laser a base di polvere (LPPF) è probabilmente il processo AM più conosciuto e ha un grande potenziale per le applicazioni industriali. Ma come si può aggirare la gamma limitata di materiali per questo processo e ampliare ulteriormente il potenziale di mercato? Questa domanda è stata affrontata dall'IWM dell'Università RWTH di Aquisgrana e dal Fraunhofer IFAM nel progetto "LPBF Powder Kit" finanziato dall'AiF. Il risultato è stato lo sviluppo di una soluzione sostenibile per la lavorazione individuale e robusta di miscele di polveri metalliche, in modo che l'utente possa coprire le proprietà del materiale desiderate con una piccola selezione di polveri metalliche e regolare in modo flessibile le leghe.

La stampa 3D consente la massima libertà progettuale nella costruzione e produzione dei componenti. Questi vantaggi hanno consentito alle tecnologie di stampa 3D di affermarsi in settori tecnici come quello automobilistico e aerospaziale. Tuttavia, i diversi campi di applicazione richiedono non solo la migliore geometria progettata possibile, ma anche proprietà del materiale ottimizzate. Ciò richiede un materiale opportunamente adattato. Tuttavia, la ricerca sui materiali per la produzione additiva è ancora agli inizi. Finora, i materiali che sono stati qualificati dai produttori di apparecchiature per i loro processi sono stati in gran parte lavorati per stabilire i vari processi di produzione additiva nel settore. Questa gamma di materiali è piuttosto piccola e non può essere paragonata in termini di diversità ai materiali convenzionali, che sono per lo più prodotti mediante metallurgia di fusione. Nei processi di produzione convenzionali e sottrattivi, esistono centinaia di diversi acciai, leghe di alluminio, leghe di cobalto-cromo resistenti all'usura e altro ancora per ciascuna applicazione specifica. Nella stampa 3D, la scelta tra tutti i materiali metallici è limitata a meno di 30 materiali, quindi non tutti i requisiti possono essere coperti.

La gamma di materiali può essere ampliata in modo mirato con il "kit polveri LPBF", che comprende, ad esempio, polveri a base di ferro con e senza carbonio, cromo, nichel, molibdeno e carburo di titanio. Le proprietà dei materiali frequentemente richieste includono, ad esempio, resistenza alla corrosione, resistenza, durezza e conduttività termica. Molte leghe di acciaio sono costituite dagli stessi elementi come carbonio, cromo e nichel, ma differiscono nelle rispettive proporzioni. Il processo sviluppato comprende la selezione della composizione della lega in base al profilo di requisiti specifici del materiale, la determinazione della composizione della polvere utilizzando metodi di simulazione termodinamica e la preparazione della polvere utilizzando processi di miscelazione e omogeneizzazione adattati. Vengono quindi determinati i parametri di processo ottimali e il materiale viene qualificato mediante caratterizzazione microstrutturale e test delle proprietà meccaniche. Una volta miscelata la polvere, viene creata la lega mediante il successivo processo di fusione del raggio laser. L'energia del laser scioglie le particelle di polvere metallica e crea la lega desiderata. Alla fine del processo si trova il componente finito con proprietà del materiale personalizzate.

La prima applicazione concreta nell'ambito del progetto è stata la produzione personalizzata di acciai inossidabili resistenti alla corrosione per profili di proprietà appositamente adattati mediante lega nel "kit polvere LPBF". Durante il lavoro di sviluppo sono stati identificati i fattori che influenzano la formazione di una lega con una buona resistenza alla corrosione e la qualità della lega è stata testata in modo orientato all'applicazione. In questo modo è stato dimostrato che gli acciai per utensili e duplex resistenti alla corrosione legati nel processo LPBF sono più resistenti della rispettiva polvere base e hanno raggiunto le proprietà desiderate. Un altro vantaggio è offerto dalla possibilità di regolare la microstruttura mediante parametri laser adattati. Un esempio di ciò sono le diverse dimensioni dei carburi nella struttura degli acciai per utensili. A seconda dell'applicazione sono necessarie dimensioni diverse. Con il kit di costruzione in polvere sviluppato, questi possono essere variati in modo efficiente e trasformati in componenti omogenei. I risultati di questo sottoprogetto possono essere resi disponibili su richiesta.