Futuro in polvere

L'azienda svedese VBN Components produce prodotti in acciaio utilizzando tecnologie additive utilizzando polvere con additivi, principalmente strumenti come trapani e frese. La tecnologia di stampa 3D elimina la necessità di forgiatura e lavorazione, riduce il consumo di materie prime e offre agli utenti finali una scelta più ampia di materiali di alta qualità.

L'offerta di componenti VBN comprende ad es. Vibenite 290che, secondo l'azienda svedese, è l'acciaio più duro al mondo (72 HRC). Il processo di creazione della Vibenite 290 consiste nell'aumentare gradualmente la durezza dei materiali fino a. Una volta che le parti desiderate sono state stampate da questa materia prima, non sono necessarie ulteriori lavorazioni oltre alla rettifica o all'elettroerosione. Nessun taglio, fresatura o foratura richiesta. Pertanto, l'azienda crea parti con dimensioni fino a 200 x 200 x 380 mm, la cui geometria non può essere prodotta utilizzando altre tecnologie di produzione.

L'acciaio non è sempre necessario. Un team di ricerca di HRL Laboratories ha sviluppato una soluzione di stampa 3D. leghe di alluminio con alta resistenza. È chiamato metodo nanofunzionale. In parole povere, la nuova tecnica consiste nell'applicare speciali polveri nanofunzionali ad una stampante 3D, che vengono poi “sinterizzate” con un laser a strati sottili, che porta alla crescita di un oggetto tridimensionale. Durante la fusione e la solidificazione, le strutture risultanti non vengono distrutte e mantengono la loro piena resistenza grazie alle nanoparticelle che agiscono come centri di nucleazione per la microstruttura prevista della lega.

Le leghe ad alta resistenza come l'alluminio sono ampiamente utilizzate nell'industria pesante, nella tecnologia aeronautica (ad es. fusoliera) e nei componenti automobilistici. La nuova tecnologia di nanofunzionalizzazione conferisce loro non solo un'elevata resistenza, ma anche una varietà di forme e dimensioni.

Addizione invece di sottrazione

Nei metodi tradizionali di lavorazione dei metalli, il materiale di scarto viene rimosso mediante lavorazione meccanica. Il processo additivo funziona al contrario: consiste nell'applicare e aggiungere strati successivi di una piccola quantità di materiale, creando parti XNUMXD di quasi tutte le forme basate su un modello digitale.

Sebbene questa tecnica sia già ampiamente utilizzata sia per la prototipazione che per la fusione di modelli, il suo utilizzo direttamente nella produzione di beni o dispositivi destinati al mercato è stato difficile a causa della bassa efficienza e delle proprietà dei materiali insoddisfacenti. Tuttavia, questa situazione sta gradualmente cambiando grazie al lavoro di ricercatori in molti centri in tutto il mondo.

Attraverso una meticolosa sperimentazione, sono state migliorate le due principali tecnologie di stampa XNUMXD: deposizione laser di metallo (LMD) i fusione laser selettiva (ULM). La tecnologia laser consente di creare dettagli precisi e ottenere una buona qualità della superficie, cosa non possibile con la stampa a fascio di elettroni 50D (EBM). In SLM, il punto del raggio laser viene diretto sulla polvere del materiale, saldandolo localmente secondo un determinato schema con una precisione da 250 a 3 micron. A sua volta, LMD utilizza un laser per elaborare la polvere per creare strutture XNUMXD autoportanti.

Questi metodi si sono rivelati molto promettenti per la creazione di parti di aeromobili. e, in particolare, l'applicazione della deposizione laser di metalli amplia le possibilità di progettazione per i componenti aerospaziali. Possono essere realizzati con materiali con strutture interne complesse e pendenze non possibili in passato. Inoltre, entrambe le tecnologie laser consentono di creare prodotti di geometria complessa e ottenere funzionalità estese di prodotti da un'ampia gamma di leghe.

Lo scorso settembre, Airbus ha annunciato di aver dotato la sua produzione A350 XWB di stampa additiva. staffa in titanio, prodotto da Arconic. Questa non è la fine, perché il contratto di Arconic con Airbus prevede la stampa 3D da polvere di titanio-nichel. parti del corpo i sistema di propulsione. Tuttavia, va notato che Arconic non utilizza la tecnologia laser, ma una propria versione migliorata dell'arco elettronico EBM.

Una delle pietre miliari nello sviluppo delle tecnologie additive nella lavorazione dei metalli sarà probabilmente il primo prototipo in assoluto presentato nella sede del gruppo olandese di cantieri navali Damen nell'autunno del 2017. elica della nave lega metallica da cui prende il nome VAAMPeller. Dopo opportuni test, la maggior parte dei quali già effettuati, il modello ha la possibilità di essere omologato per l'uso a bordo delle navi.

Poiché il futuro della tecnologia di lavorazione dei metalli risiede nelle polveri di acciaio inossidabile o nei componenti in lega, vale la pena conoscere i principali attori di questo mercato. Secondo l'"Additive Manufacturing Metal Powder Market Report" pubblicato a novembre 2017, i più importanti produttori di polveri metalliche per la stampa 3D sono: GKN, Hitachi Chemical, Rio Tinto, ATI Powder Metals, Praxair, Arconic, Sandvik AB, Renishaw, Höganäs AB , Metaldyne Performance Group, BÖHLER Edelstahl, Carpenter Technology Corporation, Aubert & Duval.

Stampa dell'elica WAAMpeller

Fase liquida

Le più note tecnologie di additivi metallici attualmente si basano sull'utilizzo di polveri (così si crea la suddetta vibenite) "sinterizzate" e fuse al laser alle elevate temperature richieste per il materiale di partenza. Tuttavia, nuovi concetti stanno emergendo. I ricercatori del Laboratorio di ingegneria criobiomedica dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino hanno sviluppato un metodo Stampa 3D con "inchiostro", costituito da una lega metallica con un punto di fusione leggermente superiore alla temperatura ambiente. In uno studio pubblicato sulla rivista Science China Technological Sciences, i ricercatori Liu Jing e Wang Lei hanno dimostrato una tecnica per la stampa in fase liquida di leghe a base di gallio, bismuto o indio con l'aggiunta di nanoparticelle.

Rispetto ai metodi tradizionali di prototipazione dei metalli, la stampa 3D in fase liquida presenta diversi importanti vantaggi. In primo luogo, è possibile ottenere un tasso relativamente alto di fabbricazione di strutture tridimensionali. Inoltre, qui è possibile regolare in modo più flessibile la temperatura e il flusso del liquido di raffreddamento. Inoltre, il metallo liquido conduttivo può essere utilizzato in combinazione con materiali non metallici (come la plastica), il che amplia le possibilità di progettazione per componenti complessi.

Gli scienziati dell'American Northwestern University hanno anche sviluppato una nuova tecnica di stampa 3D in metallo che è più economica e meno complessa di quanto precedentemente noto. Invece di polvere di metallo, laser o fasci di elettroni, usa forno convenzionale i materiale liquido. Inoltre, il metodo funziona bene per un'ampia varietà di metalli, leghe, composti e ossidi. Questo è simile alla guarnizione dell'ugello che conosciamo con la plastica. "Inchiostro" è costituito da una polvere metallica disciolta in una sostanza speciale con l'aggiunta di un elastomero. Al momento dell'applicazione è a temperatura ambiente. Successivamente, lo strato di materiale applicato dall'ugello viene sinterizzato con gli strati precedenti ad una temperatura elevata creata nel forno. La tecnica è descritta nella rivista specializzata Advanced Functional Materials.

Metodo di stampa cinese in fase di metallo liquido

Nel 2016, i ricercatori di Harvard hanno introdotto un altro metodo in grado di creare strutture metalliche XNUMXD. stampato "in aria". L'Università di Harvard ha creato una stampante 3D che, a differenza di altre, non crea oggetti strato dopo strato, ma crea strutture complesse "nell'aria" - dal metallo che si congela istantaneamente. Il dispositivo, sviluppato presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, stampa oggetti utilizzando nanoparticelle d'argento. Il laser focalizzato riscalda il materiale e lo fonde, creando varie strutture come un'elica.

La domanda del mercato di prodotti di consumo stampati in 3D ad alta precisione come impianti medici e parti di motori aeronautici sta crescendo rapidamente. E poiché i dati di prodotto possono essere condivisi con altri, le aziende di tutto il mondo, se hanno accesso alla polvere di metallo e alla giusta stampante 3D, possono lavorare per ridurre i costi logistici e di inventario. Come è noto, le tecnologie descritte facilitano notevolmente la fabbricazione di parti metalliche di geometria complessa, in anticipo rispetto alle tradizionali tecnologie di produzione. È probabile che lo sviluppo di applicazioni specializzate porti a prezzi più bassi e all'apertura all'uso della stampa 3D anche nelle applicazioni convenzionali.

L'acciaio svedese più duro - per la stampa 3D:

L'acciaio più duro del mondo - prodotto a Uppsala, in Svezia

Film di alluminio per la stampa: 

Svolta nella metallurgia: stampa 3D di alluminio ad alta resistenza