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

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Pochi materiali di base portano a molte combinazioni di proprietà dei materiali. Concetto di “Kit polvere LPBF” per la stampa 3D tramite raggio laser. Credito: Fraunhofer IFAM

La fusione del raggio laser a base di polvere (LPPF) è probabilmente il processo AM più noto 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 della RWTH Aachen University e dal Fraunhofer IFAM nel “Kit polvere LPBF” progetto 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 desiderate del materiale con una piccola selezione di polveri metalliche e regolare le leghe in modo flessibile.

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 dei materiali ottimizzate. Ciò richiede un materiale adeguatamente 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 al fine di 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 dalla fusione della metallurgia. Nei processi di produzione sottrattivi convenzionali, esistono centinaia di diversi acciai, leghe di alluminio, leghe di cobalto-cromo resistenti all’usura e altro per ogni specifica applicazione. 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.

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Gli elementi giusti garantiscono un’elevata diversità delle proprietà dei materiali

La gamma di materiali può essere ampliata in modo specifico con il “Kit polvere LPBF”, che è costituita, ad esempio, da 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 include la selezione della composizione della lega in base al profilo dei 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 adeguati. 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, la lega viene creata dal 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.

Utensili resistenti alla corrosione e acciai duplex di nuova concezione per la stampa 3D in prova

La prima applicazione concreta all’interno del progetto è stata la produzione di acciai inossidabili resistenti alla corrosione personalizzati per profili di proprietà specificamente adattati mediante lega nel “Kit polvere LPBF”. Durante il lavoro di sviluppo, sono stati individuati i fattori di influenza che favoriscono una buona formazione di leghe resistenti alla corrosione ed è stata testata la qualità della lega in modo orientato all’applicazione. Di conseguenza, è stato dimostrato che gli acciai per utensili resistenti alla corrosione e gli acciai duplex legati nel processo LPBF sono più resistenti della rispettiva polvere di base e che hanno raggiunto le proprietà target 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 della 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.

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Evitare i colli di bottiglia nell’approvvigionamento: garantire la produzione

Le aziende che devono essere altamente flessibili e fornire diversi clienti con diversi profili di requisiti trarranno vantaggio in particolare dal progetto di ricerca. Questi includono fornitori di servizi di produzione, la maggior parte dei quali sono piccole e medie imprese. La produzione di polveri metalliche richiede normalmente quattro settimane. Se un produttore vuole coprire diversi materiali con piccole quantità, i tempi di attesa crescono enormemente. Una volta acquistati i materiali di base, il “Kit polvere LPBF” può essere utilizzato per impostare le proprietà desiderate del materiale e garantire la produzione in caso di potenziali colli di bottiglia nella fornitura. Le fasi successive dello sviluppo sono il calcolo automatizzato e la regolazione della miscela di polveri per lo sviluppo di prodotti specifici.


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