Published on 9/10/2019
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Perché trattare termicamente il metallo dopo la manifattura additiva?

Perché trattare termicamente il metallo dopo la manifattura additiva?

Per Additive Manufacturing si intende una qualsiasi tecnologia in grado di ottenere un componente finale partendo da un file CAD 3D ed addizionando materiale strato dopo strato. A livello teorico, l’Additive Manufacturing coincide solo con la fase di costruzione del pezzo in 3D. In realtà, per comprendere in modo completo questa stessa tecnologia bisogna considerare una serie di altre attività pre e post stampa, che vanno a costituire l’intera filiera produttiva dell’Additive Manufacturing.

In questo articolo analizzeremo le attività che precedono e seguono la stampa 3D, ponendo particolare attenzione ai requisiti dei materiali e ai processi necessari ad ottenere una produzione di alta qualità.

Nel prossimo capitolo scopriremo quanto sia importante la produzione del materiale di stampa al fine di evitare difetti nei componenti.

La fase di prestampa

Se circoscriviamo il campo dell’Additive Manufacturing alla singola e maggiormente diffusa tecnologia a letto di polvere Selective Laser Melting (SLM), durante l’intera filiera risulta fondamentale curare l’aspetto dell’atmosfera che circonda il materiale in tutti i suoi passaggi produttivi. Ad esempio, considerando come fase prestampa la produzione di polveri, è necessario prestare parecchia attenzione a come esse vengono prodotte. Qualora le polveri fossero ricavate con un processo di atomizzazione in atmosfera non adatta, ci si potrebbe imbattere, in fase di stampa, in polveri ossidate, che potrebbero essere particolarmente difficili da fondere oppure potrebbero fondere generando dei difetti interni al materiale del componente stampato.

Supponendo che il punto di partenza delle polveri sia ottimale, ovvero che le polveri siano state prodotte correttamente in termini di geometria e di assenza di ossidi, anche durante il processo di stampaggio in 3D risulta fondamentale controllare l’atmosfera all’interno della camera di accrescimento del pezzo. Questo risulta facilmente intuibile dal momento che la stampa 3D SLM può essere paragonata ad un continuo processo di saldatura, in cui la pozza fusa va continuamente protetta con gas inerte. Nonostante l’inertizzazione dell’interfaccia fra pozza fusa ed ambiente della camera, piccoli residui di ossigeno o lievi impurezze contenute nel gas, non perfettamente puro, possono tradursi in inclusioni non volute all’interno del pezzo finale, con conseguenti colorazioni non accettate e peggioramento delle prestazioni meccaniche in un suo futuro esercizio.

Anche la fase di post-stampa è importante per ottimizzare le proprietà meccaniche dei componenti. Continua a leggere per vedere gli interessanti risultati che abbiamo ottenuto in laboratorio, utilizzando trattamenti termici in vuoto.

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La fase di post-stampa

Al termine della stampa 3D, gran parte dei materiali stampabili con tecnologia SLM necessitano sempre di un trattamento termico. Tale trattamento termico può essere di detensionamento (per rilasciare gran parte delle tensioni interne accumulatesi nel materiale durante la fase di stampa) o di altro tipo (per cercare di ottimizzare le proprietà meccaniche del componente in funzione della sua specifica applicazione).

Spesso questi trattamenti vengono effettuati in aria o in atmosfera controllata.
In realtà, TAV VACUUM FURNACES ha sperimentato nel proprio laboratorio interno (figura 1 e 2) che su specifici componenti e materiali, come ad esempio acciaio inossidabile (figura 3 e 4), superleghe di titanio (figura 5, 6, 7 e 8), superleghe di nichel e leghe CoCr, è necessario l’utilizzo del vuoto.
Nel caso del titanio, addirittura, un livello di basso vuoto attorno ai 10^-3 mbar non risulta essere sufficiente.

Laboratorio TAV VACUUM FURNACES

Figura 1: Laboratorio R&D TAV VACUUM FURNACES.

Camera termica in molibdeno

Figura 2: Dettaglio camera termica in molibdeno di un forno TAV VACUUM FURNACES.

Acciaio 316 L pre-trattamento termico

Figura 3: campioni SLM in acciaio 316 L pretrattamento termico. I campioni sono stati stampati da SAIEM ed analizzati dall’Università degli studi di Genova (DCCI).

Acciaio 316 L post-trattamento termico

Figura 4: campioni SLM in acciaio 316 L post-trattamento termico. I campioni sono stati stampati da SAIEM.

Ti6Al4V pre-trattamento termico

Figura 5: campioni SLM in Ti6Al4V pretrattamento termico stampati presso Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per l’Energia, CNR ICMATE, sede di Lecco.

Ti6Al4V post-trattamento termico

Figura 6: campioni SLM in Ti6Al4V post-trattamento termico stampati presso Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per l’Energia, CNR ICMATE, sede di Lecco.

Ti6Al4V per prove a fatica pre-trattamento termico

Figura 7: campioni SLM in Ti6Al4V per prove a fatica pretrattamento termico.

Ti6Al4V per prove a fatica post-trattamento termico

Figura 8: campioni SLM in Ti6Al4V per prove a fatica post-trattamento termico.

Conclusioni

La nostra esperienza, derivante da collaborazioni con nostri clienti e diverse università, ci insegna che il vuoto è in grado di:

  • ridurre al minimo le contaminazioni superficiali alle alte temperature di trattamento termico, portando un conseguente miglioramento della risposta meccanica del componente;
  • rendere estremamente ripetibili le prove di verifica meccaniche e a corrosione dei vari componenti stampati;
  • in alcuni casi, ripulire rendendo brillanti le superfici dei campioni contaminate dai processi di stampa, che, come abbiamo già visto, avvengono in atmosfera controllata ma non in totale assenza di ossigeno.

In aggiunta a questi benefici c’è anche da considerare il fatto che spesso i materiali citati in precedenza vengono utilizzati per lo più per applicazioni aerospaziali e medicali, in cui bisogna rispettare norme molto rigide da un punto di vista della riduzione della contaminazione superficiale e massimizzazione delle proprietà meccaniche.

Per quanto fin qui presentato, il trattamento termico in vuoto risulta essere un passaggio di post processo obbligatorio quando si prendono in considerazione specifici componenti e materiali processati con tecnologia SLM.

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