Published on 5/10/2018
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Manifattura additiva del metallo e trattamenti termici in vuoto

Manifattura additiva del metallo e trattamenti termici in vuoto

La Manifattura Additiva (AM) è uno dei vari processi di creazione di oggetti solidi tridimensionali da un file digitale.

A differenza dei metodi di manifattura sottrattiva che iniziano con un solido blocco di materiale e poi tagliano via l'eccesso per creare una parte finita, la produzione additiva crea una parte (o caratteristiche delle parti) strato per strato dalla geometria descritta nel modello di un progetto 3D.

Per molti decenni, i processi AM sono stati utilizzati per la prototipazione rapida. Negli ultimi anni, la manifattura additiva ha riscosso un incredibile interesse in tutte le sfaccettature del settore: dalle applicazioni aerospaziali alle semplici realizzazioni domestiche una tantum dei consumatori. Questa tecnologia ha immensa versatilità e flessibilità, grazie alla sua capacità di creare geometrie complesse con proprietà personalizzabili dei materiali. La manifattura additiva offre una grande libertà nel design: oggetti di qualsiasi forma o geometria sono prodotti da un modello 3D o da un progetto inserito nella stampante 3D da un computer.

La manifattura additiva dei metalli consente di progettare e costruire parti leggere in tempo reale, poiché i modelli 3D possono essere stampati o fabbricati direttamente utilizzando una sorgente laser o una sorgente a fascio di elettroni e un letto di polvere. La stampa 3D in metallo può produrre parti altamente personalizzate con funzionalità migliorate che non sono possibili attraverso i processi tradizionali.

La stampa 3D in metallo è una tecnica AM che include processi come la fusione laser selettiva (SLM), in cui la polvere metallica fine viene fusa strato per strato per creare parti metalliche tridimensionali. Inoltre, la fusione selettiva del laser, in particolare, consente la produzione di componenti con cavità e sottosquadri, con pareti sottili e vuoti nascosti.

La fusione laser selettiva di diversi tipi di leghe si adatta perfettamente alle esigenze delle applicazioni leggere coinvolte nella tecnologia dei veicoli e dei motori. La miscelazione di diverse materie prime come titanio, alluminio, acciaio inossidabile o leghe a base di nichel e la scoperta di nuove leghe con varia forza e resistenza alla temperatura, è quasi impossibile attraverso i metodi di produzione convenzionali.

Questo articolo fornisce spunti per aiutarvi a comprendere il potenziale dei trattamenti termici nel vuoto per parti stampate in 3 dimensioni, con particolare attenzione alla SLM (fusione laser selettiva) del Ti6Al4V.

Manifattura additiva: benefici e principi funzionali

La manifattura additiva è una tendenza tecnologica dirompente che influenzerà il futuro dell'industria manifatturiera. Secondo il rapporto annuale sulla AM di Wohlers Associates, il fatturato globale del settore della stampa 3D di prodotti e servizi di manifattura additiva ha superato i 2,2 miliardi di dollari nel 2014. Il mercato globale per la stampa e i servizi 3-D dovrebbe superare i 21 miliardi di dollari entro il 2020.

Concettualmente, la AM è costituita da un modello CAD digitale di una parte che viene convertito in una parte tridimensionale solida semifinita. Nella fusione laser selettiva (SLM), una delle tecnologie emergenti AM, una polvere metallica viene fusa da un raggio laser concentrato comandato dal computer per formare la parte. Questo processo ha un tasso di deposizione inferiore rispetto ad altre tecnologie AM ma si ottiene un prodotto più dettagliato.

Le possibilità e i benefici della SLM (fusione laser selettiva) sono molti e stimolanti. Il vantaggio più importante è il fatto che solo il materiale necessario per realizzare il pezzo viene effettivamente processato. Pertanto, per la produzione sarà necessario meno materiale di input. Inoltre, a differenza della manifattura sottrattiva, la manifattura additiva non ha vincoli di progettazione sulla geometria della parte e consente la libertà di progettare per funzionalità. Infine, la manifattura additiva consente lo sviluppo di una parte per arrivare con grande velocità sul mercato.

Potenziale dei trattamenti termici sottovuoto per le parti AM

I metalli che vengono elaborati tramite il metodo SLM sono già numerosi e includono leghe di titanio, inconel, alluminio, acciaio cobalto-cromo, ecc. Tipicamente, il processo SLM viene eseguito all'interno di una camera inerte al fine di controllare l'ossidazione della sorgente metallica interessata dal calore. Poiché le parti prodotte con la manifattura additiva sono semifinite e hanno geometrie complesse che sono anche impossibili da lavorare, la regola è minimizzare la rimozione del materiale durante l'elaborazione a valle. Pertanto, le parti finite non devono mai presentare decarburazione o superfici contaminate dalla successiva lavorazione termica. Un forno in vuoto ben mantenuto che funziona totalmente privo di ossigeno, dotato di pompe di diffusione per raggiungere livelli di vuoto profondi e con controlli di temperatura molto precisi, è quindi un componente fondamentale all'interno del mondo della manifattura additiva.

Inoltre, poiché nella maggior parte dei casi è desiderabile produrre parti senza sollecitazioni interne, le parti SLM vengono sempre trattate termicamente dopo la fabbricazione. Sono previsti trattamenti termici aggiuntivi per ottimizzare il comportamento meccanico, ad esempio l'allungamento al cedimento, la resistenza a fatica, ecc.

Le proprietà meccaniche affidabili sono un prerequisito essenziale per la produzione in serie di componenti industriali. È noto dalla letteratura che AM genera nuove sfide in termini di proprietà dei materiali a causa del rapido raffreddamento, dei difetti o della ruvidità superficiale intrinseca. Mentre i valori di resistenza alla trazione sono stati ben caratterizzati per diversi trattamenti termici e condizioni superficiali, una complessità significativa si presenta se i fattori di influenza sulle prestazioni alla fatica devono essere determinati.

L'eccellente resistenza e tenacità, combinata con la resistenza alla corrosione, il basso peso specifico e la biocompatibilità della lega di titanio Ti-6Al-4V, lo rendono ideale per molte applicazioni di ingegneria ad alte prestazioni nel settore aerospaziale e automobilistico, ed anche per la produzione di impianti biomedici.

Vediamo ora il comportamento alla fatica di SLM Ti6Al4V e l'influenza del tipo di trattamenti termici dopo il processo SLM.

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Microstruttura di SLM Ti6Al4V dopo i trattamenti termici

La microstruttura di Ti6Al4V prodotta con il processo SLM è diversa dalle controparti battute o colate. È caratterizzato da una solidificazione direzionale e un raffreddamento nella direzione della costruzione. La solidificazione direzionale e il raffreddamento fanno sì che i grani crescano nella direzione di costruzione attraverso gli strati, risultando in una microstruttura colonnare. Questa microstruttura colonnare conferisce al materiale stampato proprietà meccaniche anisotropiche dove le proprietà nella direzione di costruzione (z) possono essere molto diverse dalle proprietà nel piano perpendicolare alla direzione di costruzione (x, y).

Microstruttura 

Figura 1
a) Microstruttura colonnare dopo trattamento termico antistress (SR)
b) Microstruttura uniforme e fine dopo trattamento termico ad alta temperatura in vuoto (VT)

Quando un trattamento termico di distensione in Argon a 380°C viene applicato, le sollecitazioni interne sono ridotte ma la microstruttura colonnare grossolana rimane inalterata, vedi Fig. 1a. D'altra parte, il trattamento termico ad una temperatura più elevata (740°C per 2 ore) in un forno a vuoto elimina le tensioni residue e modifica la microstruttura in una più fine ed equiassica, vedere Fig. 1b.

Comportamento alla fatica di SLM Ti6Al4V dopo i trattamenti termici

Un programma di test di fatica di SLM Ti6Al4V è stato effettuato utilizzando una geometria rotazionale standard del campione di flessione e un nuovo metodo di prova a fatica utilizzando campioni miniaturizzati. Il nuovo metodo è stato sviluppato con l'obiettivo di ridurre al minimo il costo dei programmi di test di fatica (cioè il volume dei mini campioni è circa 1/7 di quello del campione di piegatura standard) garantendo al contempo una maggiore flessibilità di utilizzo, ovvero valutazione della superficie, direzionalità e effetti notch. La Fig. 2 dimostra che il nuovo metodo di test con mini campioni fornisce risultati di fatica coerenti con i dati ottenuti dai campioni standard.

Curve di fatica

Figura 2
Curve di fatica di SLM Ti6Al4V finali dopo il trattamento termico in vuoto (VT) ottenuto utilizzando una geometria campione standard e una geometria di provino in miniatura.

L'influenza del trattamento termico sulla fatica è discussa con l'aiuto di Fig. 3. Dati di prova per i tre orientamenti dei provini dopo un trattamento termico di distensione (SR). La dispersione nei dati è piuttosto bassa e le curve di tendenza della fatica si comportano bene. Tuttavia, le vite dei campioni con asse lungo parallelo alla direzione di costruzione (asse Z) sono notevolmente diverse e più corte rispetto agli altri due orientamenti dei campioni (1 e 2) con l'asse lungo perpendicolare alla direzione di costruzione. È dimostrata e quantificata la presenza di un comportamento anisotropico della fatica di DMLS (Direct Metal Laser Sintering) Ti-6Al-4V dopo il trattamento di riduzione dello stress (SR) dovuto alla struttura colonnare di Fig. 1.a.

I dati dei test per i tre orientamenti dei mini campioni dopo il trattamento termico in vuoto (VT) ad alta temperatura sono mostrati nello stesso grafico di Fig. 3. La dispersione dei dati è ancora bassa, ma tutti e tre i set di dati dei campioni, indipendentemente dalla direzione dell'asse lungo, sono molto simili e dimostrano un comportamento isotropico alla fatica della struttura equiassiale di Fig. 1b. Inoltre, le curve rappresentative mostrano un significativo incremento della resistenza a fatica del materiale VT rispetto al peggiore materiale SR.

Curve di fatica direzionale

Figura 3
Curve di affaticamento direzionale di SLM Ti6Al4V finali dopo il trattamento termico per la distensione in Argon (SR) e dopo trattamento termico in vuoto (VT) utilizzando campioni in miniatura

Spero che questo articolo dedicato principalmente alla fusione laser selettiva (SLM), il processo di stampa 3D utilizzato per creare stampe 3D in metallo, vi sia piaciuto. Se avete domande sulla manifattura additiva o sui trattamenti termici sottovuoto, fate un commento qui sotto e vi risponderò.
Date un'occhiata anche alle diapositive qui sotto, che ho presentato di recente su questo argomento alla Metal Additive Manufacturing Conference organizzata da TAV VACUUM FURNACE.

Prof. Gianni Nicoletto
Università di Parma & TP Engineering
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