Una catena di calcolo per progettare il post-processing prima delle prove fisiche
Il Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ha sviluppato una metodologia di calcolo per prevedere come i trattamenti meccanici della superficie possano modificare la resistenza a fatica e la durata dei componenti metallici prodotti mediante fabbricazione additiva.
Il risultato non consiste soltanto in una formula destinata a confrontare campioni di laboratorio. I ricercatori del Fraunhofer IWM hanno costruito una catena di valutazione che collega la geometria del componente, la distribuzione delle sollecitazioni, i parametri del trattamento superficiale, le proprietà dello strato esterno del materiale e la previsione della vita utile.
L’obiettivo è permettere a progettisti e produttori di confrontare diverse strategie di post-processing prima di realizzare e sottoporre a prova numerosi componenti fisici. Un’azienda può quindi valutare, almeno in una prima fase, se applicare la pallinatura, la rullatura profonda oppure la lisciatura meccanica e con quali parametri eseguire il trattamento.
La metodologia è stata sviluppata nel progetto di ricerca “AM Oberfläche”, dedicato alla post-lavorazione meccanica dei componenti metallici prodotti tramite additive manufacturing. I partner scientifici erano il Fraunhofer IWM e il fem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie e.V.
Il progetto è stato finanziato dal Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, il Ministero federale tedesco dell’Economia e dell’Energia, nell’ambito del programma di ricerca industriale collettiva IGF. La ricerca, identificata dal codice IGF 22833 N, si è svolta dal febbraio 2023 al luglio 2025, con un finanziamento complessivo di 597.537 euro.
Perché la fatica limita l’impiego del metal additive manufacturing
Un componente può sopportare senza rompersi un singolo carico elevato e, allo stesso tempo, danneggiarsi quando viene sottoposto per migliaia o milioni di volte a una forza inferiore.
Questo fenomeno è chiamato fatica. Durante il funzionamento possono formarsi piccole cricche che crescono a ogni ciclo di carico, fino a provocare la frattura del componente. Il problema interessa parti soggette a vibrazioni, flessioni, variazioni di pressione, avviamenti ripetuti, rotazioni o alternanze termiche.
La previsione della fatica è essenziale in settori come l’aeronautica, l’automotive, l’energia, la produzione di macchinari e la costruzione di impianti. In queste applicazioni non è sufficiente dimostrare che un componente possiede una determinata resistenza statica. È necessario stabilire per quanto tempo potrà operare sotto carichi ciclici senza sviluppare una cricca pericolosa.
I componenti stampati in 3D possono essere progettati con forme leggere, canali interni, strutture reticolari e geometrie che sarebbero difficili da produrre mediante lavorazioni sottrattive. Questi vantaggi, tuttavia, devono essere accompagnati da una conoscenza affidabile delle proprietà meccaniche.
Nel metal additive manufacturing la superficie lasciata dal processo di stampa presenta spesso irregolarità, particelle parzialmente fuse, depressioni e discontinuità. Tali caratteristiche possono concentrare localmente le tensioni e trasformarsi nel punto dal quale inizia la cricca.
Rugosità, porosità e tensioni residue
Il comportamento a fatica di un componente additivo dipende dall’interazione tra più fattori.
La rugosità superficiale produce piccoli intagli geometrici. Anche quando una valle superficiale misura soltanto pochi micrometri, la sua forma può aumentare la tensione locale rispetto al valore calcolato sulla sezione nominale.
La porosità costituisce un secondo elemento critico. I pori possono derivare da gas intrappolati, dalla fusione incompleta della polvere o da una sovrapposizione non corretta delle tracce del laser. I difetti collocati vicino alla superficie risultano particolarmente pericolosi perché possono comunicare con l’esterno e favorire l’avvio di una cricca.
Un altro fattore è rappresentato dalle tensioni residue. Durante la produzione mediante Laser Powder Bed Fusion, il materiale viene riscaldato e raffreddato in aree molto piccole e in tempi brevi. I forti gradienti termici possono lasciare nel componente tensioni interne anche quando non è applicato alcun carico esterno.
Le tensioni residue di trazione possono favorire l’apertura delle cricche. Le tensioni residue di compressione introdotte mediante un trattamento controllato possono invece contrastarne la propagazione nelle zone superficiali.
Il progetto AM Oberfläche
Il progetto AM Oberfläche è stato organizzato per comprendere e modellare l’intera catena che collega il trattamento superficiale all’incremento della durata.
Il Fraunhofer IWM si è concentrato sulla distribuzione delle tensioni residue, sulla simulazione dei trattamenti, sulle prove di fatica e sulla costruzione del metodo di valutazione basato sulle linee guida FKM.
Il fem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie e.V. ha lavorato sulla produzione additiva dei campioni in acciaio inossidabile 316L e lega di alluminio AlSi10Mg, sulla caratterizzazione dei componenti, sui dati meccanici necessari alle simulazioni e sull’analisi degli strati superficiali.
Le attività hanno compreso studi numerici agli elementi finiti, misurazioni della durezza, analisi della rugosità, valutazioni delle tensioni residue, osservazioni metallografiche e prove cicliche su campioni e componenti.
Non si è quindi trattato di confrontare soltanto una superficie trattata con una non trattata. I ricercatori hanno studiato come la variazione dei parametri del processo modificasse la profondità dello strato incrudito, il livello delle tensioni residue, la topografia e la probabilità che un difetto superficiale diventasse un punto di innesco.
I tre passaggi della metodologia
La catena di calcolo sviluppata dal Fraunhofer IWM è articolata in tre fasi principali.
La prima fase riguarda l’analisi del componente e la scelta del trattamento. La geometria viene esaminata per individuare le zone sottoposte alle sollecitazioni più elevate. In base alla forma, all’accessibilità delle superfici e al tipo di carico viene selezionato il processo più adatto.
La seconda fase è dedicata alla simulazione del trattamento meccanico. Il modello stima le modifiche prodotte sulla superficie e nello strato sottostante, considerando parametri come la pressione della pallinatura, la forza applicata dall’utensile, la sovrapposizione delle passate e il percorso seguito sulla superficie.
Il risultato della simulazione comprende la distribuzione delle tensioni residue, la variazione di durezza, il grado di deformazione plastica e la modifica della rugosità.
La terza fase utilizza una valutazione della vita a fatica basata sulle linee guida FKM. Le proprietà ottenute dopo il trattamento vengono inserite nel calcolo strutturale per stimare l’incremento della resistenza e della durata rispetto al componente non trattato.
Questa impostazione permette di confrontare diverse combinazioni di processo senza dover produrre una serie completa di componenti per ciascuna ipotesi.
Il ruolo delle linee guida FKM
Le linee guida FKM sono utilizzate nell’ingegneria meccanica tedesca per valutare la resistenza statica e a fatica di componenti sottoposti a carichi differenti.
Il metodo considera la geometria, il materiale, il tipo di sollecitazione, i fattori di sicurezza, la qualità produttiva e le condizioni operative. Il vantaggio principale è la possibilità di utilizzare un’impostazione già conosciuta da progettisti, studi di calcolo e piccole e medie imprese.
Il Fraunhofer IWM ha adattato questa struttura di valutazione ai materiali additivi e agli effetti prodotti dai trattamenti superficiali. Le tensioni residue di compressione possono essere considerate come un contributo che modifica la tensione media percepita dal materiale durante i cicli.
Anche la rugosità e l’incrudimento devono essere inseriti nel modello. Una superficie più liscia riduce le concentrazioni locali, mentre l’incrudimento aumenta la resistenza dello strato esterno alla deformazione plastica.
La metodologia non elimina la necessità delle prove sperimentali per la qualificazione definitiva di un componente. Permette però di ridurre il numero di opzioni da testare e di concentrare le verifiche sulle configurazioni considerate più efficaci.
Pallinatura: impatti controllati sulla superficie
La pallinatura, o shot peening, utilizza piccole sfere lanciate contro la superficie del componente.
Ogni impatto provoca una deformazione plastica locale. Lo strato superficiale tende a espandersi, ma viene trattenuto dal materiale sottostante, generando uno stato di tensione residua di compressione.
Il risultato dipende dal materiale delle sfere, dalla loro dimensione, dalla velocità, dalla pressione, dalla distanza di lavoro, dall’angolo d’impatto e dal tempo di esposizione.
Una pallinatura insufficiente può non introdurre tensioni di compressione abbastanza profonde. Un trattamento troppo intenso può aumentare la rugosità, danneggiare spigoli sottili o produrre deformazioni indesiderate.
Nel progetto AM Oberfläche sono stati definiti intervalli di processo capaci di aumentare la durezza superficiale e introdurre tensioni residue controllate. Le analisi hanno mostrato che la pressione di trattamento influenza anche la profondità dello strato compresso.
Rullatura profonda: lisciatura e incrudimento con un utensile
La rullatura profonda utilizza una sfera o un rullo premuto contro il componente mentre l’utensile percorre la superficie.
La pressione deforma le asperità, compatta lo strato esterno e introduce tensioni residue di compressione. Il processo può ridurre la rugosità e produrre un effetto più localizzato e controllabile rispetto alla pallinatura.
Tra i parametri principali figurano la forza di contatto, l’avanzamento, la velocità, il diametro dell’utensile e la sovrapposizione tra le passate.
Uno dei vantaggi per le piccole e medie imprese è la possibilità di montare utensili per rullatura su macchine utensili già presenti in officina, comprese fresatrici e torni. L’introduzione del trattamento può quindi richiedere un investimento inferiore rispetto all’acquisto di una linea dedicata.
L’accessibilità rimane un limite. Canali interni, cavità profonde e superfici schermate possono non essere raggiungibili dall’utensile.
Lisciatura diamantata
La lisciatura diamantata utilizza una punta molto dura che scorre sulla superficie sotto una forza controllata.
L’utensile comprime le creste superficiali e ridistribuisce il materiale nelle depressioni, riducendo la rugosità. A seconda dei parametri e del materiale può essere introdotto anche un certo grado di incrudimento.
Le prove del progetto hanno indicato che la lisciatura diamantata agisce soprattutto sulla topografia superficiale. Il suo effetto sulla chiusura o sulla riduzione dei pori può essere inferiore rispetto a quello ottenuto con pallinatura o rullatura.
Questo trattamento può risultare utile quando l’obiettivo principale è diminuire la rugosità senza asportare una quantità significativa di materiale. Richiede però che la superficie sia raggiungibile e che la geometria consenta un percorso stabile dell’utensile.
I materiali analizzati
La metodologia è stata validata su AlSi10Mg, acciaio inossidabile 316L e lega di titanio Ti6Al4V.
AlSi10Mg è una lega di alluminio contenente silicio e magnesio. Viene impiegata nella fabbricazione additiva per componenti leggeri, alloggiamenti, supporti, scambiatori e parti destinate ai settori automotive e aerospaziale.
Il 316L è un acciaio inossidabile austenitico caratterizzato da resistenza alla corrosione e buona lavorabilità. È utilizzato in impianti industriali, apparecchiature per il settore alimentare, applicazioni chimiche e dispositivi medicali.
Ti6Al4V è una lega di titanio apprezzata per il rapporto tra resistenza e peso, oltre che per la resistenza alla corrosione. Trova applicazione nell’aeronautica, nell’energia e nella produzione di impianti biomedicali.
La presenza di tre materiali con caratteristiche differenti è importante perché lo stesso trattamento non produce risultati identici su tutte le leghe. Durezza, duttilità, resistenza allo snervamento e microstruttura influenzano la profondità della deformazione e il livello delle tensioni residue ottenibili.
Laser Powder Bed Fusion e Cold Metal Fusion
I componenti esaminati sono stati prodotti mediante Laser Powder Bed Fusion e Cold Metal Fusion.
Nel Laser Powder Bed Fusion un raggio laser fonde selettivamente una sottile quantità di polvere metallica. Dopo la solidificazione viene depositato un nuovo strato e il processo viene ripetuto fino alla formazione del componente.
Il rapido riscaldamento e raffreddamento può generare microstrutture direzionali, tensioni residue, porosità e differenze tra superfici rivolte verso l’alto, lateralmente o verso il letto di polvere.
Cold Metal Fusion è invece un processo basato sulla sinterizzazione sviluppato da Headmade Materials GmbH. Il materiale di partenza contiene polvere metallica inserita in una matrice polimerica.
La stampa viene effettuata utilizzando sistemi di sinterizzazione laser normalmente associati ai polimeri. Si ottiene un componente verde che viene sottoposto a rimozione del legante e sinterizzazione, trasformandolo nel componente metallico finale.
La presenza di entrambi i processi nella ricerca aiuta a verificare se la metodologia possa essere applicata a componenti caratterizzati da difetti, microstrutture e stati tensionali differenti.
Gli incrementi misurati
Le prove eseguite nel progetto hanno mostrato incrementi della resistenza a fatica compresi tra il 20 e il 40% per campioni in AlSi10Mg e acciaio inossidabile 316L rispetto alle condizioni iniziali considerate.
Il valore non deve essere interpretato come un miglioramento garantito per qualsiasi componente. Il risultato dipende dalla lega, dal processo di stampa, dalla geometria, dall’orientamento, dalla qualità iniziale e dai parametri del trattamento.
Le analisi dello strato superficiale hanno evidenziato la possibilità di ottenere una zona con minori difetti e proprietà modificate per una profondità indicativa compresa tra 150 e 300 micrometri.
Sui componenti dimostrativi, comprendenti staffe topologicamente ottimizzate e provini a flessione in AlSi10Mg, Ti6Al4V e 316L, l’aumento della vita fino all’innesco della cricca è risultato compreso tra il 165 e il 409% rispetto allo stato non trattato.
In alcune condizioni, a parità di ampiezza del carico, la variazione può tradursi in un aumento della durata di più ordini di grandezza. Per questo motivo una variazione apparentemente contenuta della resistenza a fatica può produrre una differenza molto maggiore nel numero di cicli sopportabili.
Perché il trattamento immediatamente dopo la stampa può essere vantaggioso
Secondo i risultati del progetto, il maggiore guadagno relativo è stato osservato quando il trattamento veniva applicato direttamente alla superficie as-built.
In questa condizione il componente presenta ancora la rugosità, le particelle aderenti e i difetti superficiali generati durante la produzione. La post-lavorazione può quindi intervenire su più meccanismi nello stesso momento: riduzione delle asperità, compattazione dello strato, incrudimento e introduzione delle tensioni residue.
Una superficie già lavorata mediante fresatura o tornitura parte da una condizione più favorevole. Un trattamento aggiuntivo può migliorare ulteriormente la durata, ma il guadagno percentuale rispetto allo stato iniziale può essere inferiore.
La scelta non deve basarsi soltanto sul valore percentuale. Le superfici funzionali che richiedono tolleranze strette potrebbero comunque essere lavorate per asportazione di truciolo prima della rullatura o della lisciatura.
Il comitato industriale del progetto
Il progetto era affiancato da un comitato industriale incaricato di contribuire all’orientamento applicativo e al trasferimento dei risultati verso le imprese.
Nel comitato figuravano Airbus Central Research & Technology, Altair Engineering GmbH, August Mössner GmbH + Co. KG, Baublies AG, Ceranod, Cunova GmbH ed ECOROLL AG Werkzeugtechnik.
Partecipavano inoltre Element22 GmbH, Headmade Materials GmbH, Hexagon AB, INPECA GmbH del BÖLLINGER GROUP, Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Liebherr Components e MAPAL Dr. Kress SE & Co. KG.
L’elenco comprendeva anche Merkle CAE Solutions GmbH, MetShape GmbH, OSK-Kiefer GmbH, Rosswag GmbH, Sentenso GmbH e TE Automotive.
La presenza nel comitato non significa che tutte queste aziende abbiano sviluppato direttamente la catena di calcolo. Il lavoro scientifico è stato condotto dal Fraunhofer IWM e dal fem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie e.V.; le imprese del comitato hanno contribuito alla connessione con le esigenze industriali e alla valutazione della trasferibilità.
Dal laboratorio alla progettazione industriale
La metodologia può essere utilizzata durante le prime fasi di sviluppo del prodotto, quando la geometria può ancora essere modificata.
Il progettista può individuare le aree con le tensioni più elevate, verificare se sono accessibili all’utensile e decidere se prevedere una superficie che faciliti la rullatura oppure la lisciatura.
Anche la traiettoria del trattamento può essere definita nel modello digitale. Nel caso della rullatura, per esempio, la sovrapposizione tra le passate modifica l’uniformità dello strato trattato. Nel caso della pallinatura devono essere considerate le aree schermate e le variazioni dell’angolo di impatto.
L’integrazione anticipata evita di trattare il post-processing come un intervento correttivo eseguito soltanto dopo avere scoperto che il componente non raggiunge la durata richiesta.
La superficie, il processo additivo e il trattamento possono essere considerati come parti dello stesso progetto.
Ridurre prove e iterazioni senza eliminare la validazione
Le prove di fatica richiedono tempo. Per costruire una curva affidabile devono essere testati più campioni a diversi livelli di carico, spesso fino a raggiungere milioni di cicli.
Ogni variante di materiale, orientamento di stampa, trattamento termico, rugosità o post-processing può richiedere una nuova campagna sperimentale.
La catena sviluppata dal Fraunhofer IWM può ridurre il numero delle combinazioni da provare. Le simulazioni vengono utilizzate per escludere le strategie meno efficaci e definire una finestra di parametri più promettente.
Le prove restano indispensabili per verificare il modello, qualificare il processo e dimostrare che il componente soddisfa i requisiti di sicurezza. Il vantaggio risiede nel passaggio da una selezione basata su numerosi tentativi a un processo guidato da calcoli e dati sperimentali mirati.
Un metodo trasferibile ad altre leghe
Il Fraunhofer IWM ritiene che la metodologia possa essere estesa a materiali diversi da quelli studiati.
La trasferibilità si basa su proprietà meccaniche fondamentali come il limite di snervamento e la resistenza a trazione. Questi dati consentono di stimare la risposta del materiale alla deformazione prodotta dal trattamento e di costruire una prima previsione dell’effetto sulla superficie.
Per ottenere risultati industriali affidabili sarà comunque necessario caratterizzare il nuovo materiale, verificare la microstruttura, misurare le tensioni residue e validare la previsione attraverso prove cicliche.
Il modello costituisce quindi una struttura di calcolo adattabile, non un valore universale valido senza dati specifici.
Non ancora un software commerciale universale
La definizione di “strumento di previsione” può far pensare a un programma commerciale nel quale caricare un file CAD e ottenere automaticamente la vita del componente.
La soluzione presentata dal Fraunhofer IWM è descritta come una metodologia, una catena di calcolo e un ausilio alla progettazione. Comprende simulazioni del trattamento, modelli del materiale e una valutazione basata sulle linee guida FKM.
La sua applicazione richiede dati affidabili sul materiale, sulle condizioni di stampa e sul processo di post-lavorazione. Sono inoltre necessarie competenze nella simulazione strutturale, nella tecnologia delle superfici e nella valutazione della fatica.
Il valore del progetto risiede nella connessione tra discipline che, nei normali processi produttivi, vengono spesso affrontate separatamente: additive manufacturing, trattamento superficiale, caratterizzazione del materiale e calcolo della durata.
Le possibili applicazioni
La metodologia può interessare produttori di staffe aeronautiche, componenti per veicoli, parti di turbine, supporti leggeri, dispositivi per macchinari, componenti medicali e strutture destinate agli impianti energetici.
Le applicazioni più adatte sono quelle nelle quali la geometria additiva offre un vantaggio, ma la superficie costituisce il punto debole per la durata a fatica.
Una staffa topologicamente ottimizzata, per esempio, può ridurre il peso rispetto a un componente lavorato dal pieno. Se le zone più sollecitate presentano una superficie as-built rugosa, il beneficio strutturale potrebbe essere limitato da un innesco prematuro della cricca.
Un trattamento localizzato consente di intervenire soltanto nelle aree critiche, evitando di lavorare l’intero componente. Questa strategia può ridurre tempi e costi rispetto a una finitura completa, soprattutto quando molte superfici non partecipano alla resistenza a fatica.
Il contributo del progetto alla qualificazione del metal AM
La qualificazione dei componenti metallici stampati in 3D richiede il controllo dell’intera catena produttiva.
Non basta conoscere il tipo di polvere o il modello della stampante. Devono essere documentati i parametri di esposizione, l’orientamento, la gestione termica, il trattamento termico, la rimozione dei supporti, le lavorazioni meccaniche e la finitura superficiale.
Il progetto AM Oberfläche aggiunge un passaggio importante: il trattamento può essere progettato e valutato come parte della prestazione strutturale, anziché essere descritto soltanto attraverso un valore medio di rugosità.
Due superfici con rugosità simile possono infatti avere distribuzioni differenti delle tensioni residue, della durezza e dei difetti. Una valutazione basata su più parametri permette di comprendere meglio il motivo per cui un trattamento aumenta la durata.
La metodologia sviluppata dal Fraunhofer IWM e dal fem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie e.V. crea quindi un collegamento tra i parametri della lavorazione e il comportamento del componente durante l’impiego.
Il risultato offre alle imprese uno strumento per scegliere il post-processing sulla base della zona da proteggere, del materiale, della geometria e del carico previsto. L’incremento fino al 40% della resistenza a fatica rappresenta uno dei risultati sperimentali; l’aspetto più ampio è la possibilità di prevedere e ottimizzare tale incremento prima di completare l’intera campagna di prove.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
