Un gruppo di ricercatori dell’University of Sheffield ha sviluppato e sperimentato un processo di Binder Jetting per acciaio inossidabile 316L basato su un legante acquoso al polivinilalcol, o PVA, depositato attraverso una testina di stampa riscaldata.
Il lavoro affronta uno degli aspetti meno visibili ma più importanti del Binder Jetting metallico: il comportamento del liquido che deve essere espulso dalla testina, penetrare nel letto di polvere e creare un componente sufficientemente resistente da poter essere estratto, manipolato e trasferito alle successive fasi termiche.
I ricercatori Zakki Fuadi Emzain, Alkim Aydin, Patrick J. Smith e Kamran Mumtaz hanno concentrato l’attenzione su una formulazione composta soltanto dall’1% in peso di PVA disciolto in acqua deionizzata. Il legante viene depositato esclusivamente dalla testina, senza miscelare preventivamente componenti polimerici con la polvere metallica.
La combinazione tra questa formulazione, il riscaldamento della testina e l’ottimizzazione dei parametri di stampa ha consentito di lavorare con una saturazione del legante del 20% e di ottenere, dopo sinterizzazione, una densità relativa prossima al 99%.
È un risultato interessante non soltanto per i valori finali raggiunti, ma perché interviene direttamente sull’interazione tra chimica del legante, tecnologia inkjet, polvere metallica e ciclo termico.
Il legante è uno dei punti critici del Binder Jetting metallico
Nel Binder Jetting la polvere metallica non viene fusa durante la stampa.
Un sottile strato di materiale viene distribuito sul piano di costruzione e una testina inkjet deposita selettivamente minuscole quantità di legante nelle zone corrispondenti alla sezione del componente. Il piano si abbassa, viene distribuito un nuovo strato di polvere e il ciclo viene ripetuto fino alla formazione dell’intero oggetto.
Terminata la stampa si ottiene il cosiddetto green part, un componente nel quale le particelle metalliche sono ancora separate e vengono mantenute insieme principalmente dal legante.
Il vero consolidamento metallurgico avviene in seguito, durante debinding e sinterizzazione.
Questa separazione tra formazione geometrica e densificazione distingue il Binder Jetting dai processi Laser Powder Bed Fusion. Durante la fase di stampa non è necessario creare un bagno di fusione metallica e la polvere non consolidata presente intorno al componente può svolgere anche la funzione di sostegno delle geometrie.
Il vantaggio introduce però nuove difficoltà.
Il legante deve essere sufficientemente fluido da attraversare gli ugelli senza generare problemi di deposizione, ma deve anche bagnare correttamente la polvere. Deve creare legami abbastanza resistenti da consentire la manipolazione del green part e, nello stesso tempo, deve poter essere eliminato durante il ciclo termico senza lasciare quantità indesiderate di residui.
Il comportamento del legante diventa quindi parte integrante della qualità finale del componente.
Perché i ricercatori dell’University of Sheffield hanno scelto il PVA
I sistemi industriali di Binder Jetting possono utilizzare formulazioni polimeriche più complesse e leganti basati su resine e solventi. Durante il debinding, queste sostanze devono essere rimosse prima che la sinterizzazione porti le particelle metalliche a formare legami metallurgici.
Il gruppo dell’University of Sheffield ha scelto di studiare il polivinilalcol perché è solubile in acqua e possiede buone proprietà adesive.
La formulazione utilizzata contiene appena l’1% in peso di PVA e il restante volume è costituito da acqua deionizzata.
Il PVA impiegato nello studio è stato fornito da Alfa Aesar e presenta un grado di idrolisi del 98-99% e una massa molecolare media compresa tra circa 57.000 e 66.000 Da.
La preparazione consiste nel dissolvere il PVA nell’acqua deionizzata mantenendo la soluzione a 95 °C sotto agitazione per un’ora. Successivamente la miscela viene raffreddata per circa trenta minuti per favorire l’eliminazione delle bolle d’aria rimaste intrappolate.
Questa formulazione apparentemente semplice deve però soddisfare requisiti piuttosto precisi perché un liquido che funziona come adesivo non è automaticamente adatto a essere utilizzato come inchiostro inkjet.
Viscosità e tensione superficiale determinano il comportamento della goccia
I ricercatori dell’University of Sheffield hanno quindi analizzato la viscosità dinamica e la tensione superficiale del legante tra 25 e 50 °C.
Per la viscosità è stato utilizzato un viscosimetro SV-10 prodotto da A&D, mentre la tensione superficiale è stata caratterizzata attraverso un tensiometro K100 di KRÜSS.
Alla temperatura più alta esaminata, la soluzione PVA all’1% presentava una viscosità dinamica di circa 1,15 mPa·s e una tensione superficiale di 43,61 mN/m.
Questi valori rientrano nell’intervallo operativo della testina utilizzata per gli esperimenti.
La temperatura diventa pertanto uno strumento di regolazione del comportamento del fluido. Riscaldando il legante all’interno della testina è possibile modificarne viscosità, formazione delle gocce e interazione con il letto di polvere.
È proprio questo il principio centrale dello studio.
Una testina MicroFab riscaldata fino a 50 °C
La piattaforma di Binder Jetting è stata realizzata appositamente dall’University of Sheffield e utilizza una testina piezoelettrica MJ-AL-01 di MicroFab Technologies.
La testina MicroFab Technologies dispone, nella configurazione utilizzata nello studio, di un orifizio da 80 μm ed è progettata per lavorare con fluidi acquosi e solventi a temperature fino a 50 °C.
Il sistema drop-on-demand permette di controllare elettricamente la generazione delle singole gocce.
Nella configurazione sperimentale dell’University of Sheffield, l’espulsione del legante è stata regolata con una tensione di pilotaggio di 90 V, un impulso di 20 μs e una pressione negativa di -6 kPa.
Frequenza delle gocce e velocità di movimento della testina sono state adattate alla quantità di legante richiesta. Nel corso degli esperimenti la frequenza è variata indicativamente tra 150 e 450 Hz, mentre la velocità di avanzamento è stata compresa tra circa 2,5 e 4,5 mm/s.
La scelta di una testina MicroFab Technologies a singolo ugello è particolarmente adatta a un lavoro di ricerca perché permette di analizzare con precisione la fisica delle singole gocce e di modificare numerosi parametri.
Non bisogna tuttavia confondere questo apparato con l’architettura di una macchina industriale ad alta produttività, dove possono essere impiegate barre di stampa con un numero molto elevato di ugelli.
Il passaggio dal laboratorio alla produzione richiederebbe quindi una verifica della stessa chimica su sistemi multi-ugello e a velocità molto superiori.
La temperatura aiuta la deposizione anche quando i modelli teorici non raccontano tutta la storia
Un ulteriore elemento interessante riguarda la cosiddetta jettability, cioè la capacità del liquido di produrre gocce stabili e ripetibili.
I ricercatori hanno valutato parametri fluidodinamici come il numero di Ohnesorge e il suo inverso, il numero Z, normalmente utilizzati nello sviluppo delle formulazioni inkjet.
La soluzione PVA ha mostrato un valore Z che non rientra completamente in alcuni degli intervalli teorici indicati dalla letteratura come ottimali.
Nonostante questo, le prove sperimentali hanno dimostrato che il liquido poteva essere espulso correttamente dalla testina MicroFab Technologies.
È un aspetto rilevante perché mostra quanto, nello sviluppo di un Binder Jetting, i criteri teorici per la formulazione dell’inchiostro debbano essere accompagnati da prove reali sulla specifica testina.
Temperatura, geometria dell’ugello, pressione, forma dell’impulso elettrico e proprietà della superficie del materiale contribuiscono insieme al comportamento finale.
Carpenter Additive fornisce la polvere di acciaio 316L
Per il materiale metallico, l’University of Sheffield ha utilizzato polvere di acciaio inossidabile 316L atomizzata a gas fornita da Carpenter Additive.
La distribuzione granulometrica indicata dal fornitore si colloca nell’intervallo 15-45 μm.
Il 316L è uno dei materiali maggiormente studiati nel Binder Jetting perché combina una consolidata esperienza metallurgica con applicazioni industriali in numerosi settori.
Il basso contenuto di carbonio della variante 316L contribuisce alla resistenza alla corrosione dopo saldatura o altri trattamenti termici, mentre la presenza di cromo, nichel e molibdeno determina le caratteristiche tipiche di questo acciaio austenitico.
Nel Binder Jetting, però, la composizione della lega costituisce soltanto una parte del problema.
Forma e distribuzione dimensionale delle particelle influenzano infatti la densità del letto di polvere, la permeabilità al liquido, il volume degli spazi vuoti e il comportamento durante la sinterizzazione.
Saturazione del 10, 15 e 20%: quanto legante serve realmente
Uno degli aspetti centrali dello studio riguarda la saturazione del legante.
In termini semplificati, questo parametro descrive quanta parte dello spazio disponibile tra le particelle viene occupata dal liquido depositato.
Aumentare la quantità di legante non porta automaticamente a risultati migliori.
Una saturazione insufficiente può produrre green part estremamente fragili perché le particelle non vengono collegate in maniera efficace.
Un eccesso di liquido può invece aumentare la diffusione laterale del legante attraverso il letto di polvere, modificando bordi e dettagli geometrici.
L’University of Sheffield ha sperimentato livelli di saturazione del 10, 15 e 20%.
Dopo la stampa, i campioni erano ancora umidi e troppo fragili per essere manipolati direttamente.
È stato quindi introdotto un ciclo di curing a 150 °C per un’ora utilizzando un forno tubolare STF 16/180 di Carbolite Gero. Il trattamento permette di eliminare l’acqua mantenendo il PVA all’interno del green part come elemento di collegamento tra le particelle.
Una resistenza del green part di 2,72 MPa
Per valutare la capacità dei campioni di sopportare le operazioni successive alla stampa, il gruppo ha effettuato prove di compressione utilizzando una macchina H5KS di Tinius Olsen.
La condizione con saturazione del 20% ha raggiunto una resistenza a compressione del green part di 2,72 MPa.
Il valore è importante soprattutto dal punto di vista operativo.
Un green part deve sopravvivere all’estrazione dal letto di polvere, alla rimozione del materiale non legato, al trasferimento nel forno e alle varie operazioni che precedono la sinterizzazione.
Una resistenza insufficiente può trasformare la fase di depowdering in uno dei principali limiti del processo, soprattutto per pareti sottili, canali e strutture geometricamente complesse.
L’obiettivo non consiste quindi nel rendere il componente green paragonabile a quello metallico definitivo, ma nel raggiungere la resistenza minima necessaria per completare in sicurezza il ciclo produttivo.
Il valore del 20% va interpretato nel contesto del sistema
La saturazione del 20% è uno degli elementi che distingue il lavoro dell’University of Sheffield.
Il dato non deve però essere utilizzato come parametro universale da trasferire direttamente su qualsiasi sistema Binder Jetting.
La definizione operativa della saturazione dipende dalla densità del letto, dalla granulometria, dal volume delle gocce, dallo spessore di strato e dagli algoritmi con cui viene calcolata la quantità di liquido.
Sistemi commerciali e apparati sperimentali possono quindi lavorare con percentuali numericamente diverse.
Il risultato significativo è piuttosto la dimostrazione che, nel sistema sviluppato dall’University of Sheffield, l’uso della testina riscaldata consente di mantenere una quantità relativamente contenuta di legante ottenendo comunque una resistenza green adeguata.
Lo spessore degli strati modifica densità e sinterizzazione
Dopo aver selezionato la saturazione del 20%, i ricercatori hanno analizzato anche l’effetto dello spessore di strato.
Sono state studiate tre configurazioni: 80, 120 e 160 μm.
La relazione tra dimensione delle particelle e spessore del layer è importante.
Uno strato deve essere sufficientemente spesso da permettere una distribuzione omogenea della polvere, ma aumentando troppo lo spessore cresce la distanza che il legante deve attraversare per collegare le particelle tra un layer e quello successivo.
La configurazione da 80 μm ha fornito i risultati migliori dopo il ciclo termico.
Questo conferma che la densificazione finale non dipende soltanto dalla temperatura del forno: la struttura che entra nel forno è già stata determinata in parte dal modo in cui polvere e legante sono stati distribuiti durante la stampa.
Debinding e sinterizzazione sono determinanti per trasformare il green part
Una volta stampato e asciugato, il componente deve perdere il PVA e densificarsi.
Il gruppo dell’University of Sheffield ha utilizzato un ciclo continuo di debinding e sinterizzazione sotto vuoto.
Durante il debinding il polimero viene decomposto e rimosso. Successivamente, aumentando ulteriormente la temperatura, le particelle di acciaio entrano progressivamente in contatto e cominciano a formare colli di sinterizzazione.
La diffusione atomica riduce la porosità e determina contemporaneamente un ritiro dimensionale del componente.
Per questo motivo la compensazione del ritiro costituisce un passaggio fondamentale nella progettazione di componenti Binder Jetting.
Nello studio dell’University of Sheffield il ritiro lineare è rimasto entro il 15,08%.
Il risultato migliore arriva a 1.450 °C
La combinazione che ha fornito le prestazioni più elevate utilizza uno spessore di strato di 80 μm e una sinterizzazione sotto vuoto a 1.450 °C.
In queste condizioni, la densità relativa misurata attraverso il metodo di Archimede ha raggiunto il 98,66% con una deviazione di ±0,20%.
Le misurazioni effettuate analizzando le sezioni dei campioni hanno indicato una densità ancora superiore, pari al 99,07% con una deviazione di ±0,12%.
Le differenze tra i due metodi dipendono dalle rispettive modalità di misurazione e ricordano quanto sia importante indicare sempre la tecnica utilizzata quando vengono confrontati valori di densità ottenuti in studi differenti.
Raggiungere valori prossimi al 99% senza una successiva pressatura isostatica a caldo rappresenta comunque uno degli elementi più interessanti del lavoro.
517,46 MPa di resistenza a trazione senza HIP
I campioni prodotti nella configurazione ottimizzata hanno raggiunto una durezza di 156,3 HV e una resistenza a trazione di 517,46 MPa.
Il risultato è stato ottenuto senza applicare Hot Isostatic Pressing, o HIP.
L’HIP può essere utilizzato dopo la sinterizzazione per ridurre ulteriormente la porosità attraverso una combinazione di elevata temperatura e pressione isostatica del gas.
Si tratta però di un passaggio aggiuntivo, con conseguenze su costo, tempo di processo, logistica e disponibilità delle apparecchiature.
Ottenere proprietà interessanti nella condizione direttamente sinterizzata rende quindi il processo più significativo dal punto di vista di un’eventuale industrializzazione.
Questo non significa che l’HIP diventi inutile per tutte le applicazioni.
Settori con requisiti molto elevati su fatica, affidabilità e difettosità interna potrebbero continuare a richiedere trattamenti aggiuntivi. Il valore dello studio consiste nell’aver dimostrato che una densificazione molto elevata può essere raggiunta anche senza questo passaggio.
Il lavoro prosegue una ricerca dell’University of Sheffield sui leganti acquosi
Lo studio sul 316L non nasce isolatamente.
Nel 2024 Sourabh Paul, Patrick J. Smith e Kamran Mumtaz dell’University of Sheffield avevano pubblicato un altro lavoro dedicato all’utilizzo di PVA acquoso nel Binder Jetting di Inconel 718.
In quell’esperimento erano state analizzate diverse masse molecolari del PVA e il materiale polimerico veniva utilizzato anche in forma secca all’interno del feedstock.
Il lavoro aveva mostrato che una formulazione acquosa con PVA a massa molecolare intermedia poteva offrire una bagnabilità migliore rispetto al legante commerciale preso come riferimento.
La ricerca sul 316L compie un ulteriore passo: elimina la necessità di aggiungere PVA in forma secca direttamente alla polvere e deposita tutto il legante attraverso la testina.
Questo semplifica concettualmente il feedstock, che rimane costituito dalla sola polvere metallica Carpenter Additive.
Perché eliminare il PVA dalla polvere è importante
La separazione tra feedstock e legante offre diversi vantaggi potenziali.
Se il polimero viene aggiunto direttamente alla polvere, è necessario controllare anche l’omogeneità della miscela, le differenze dimensionali e morfologiche tra materiale metallico e materiale polimerico e l’effetto del polimero sulla distribuzione dello strato.
Con il nuovo metodo dell’University of Sheffield, la polvere rimane invece un feedstock metallico tradizionale.
Il PVA viene introdotto soltanto nelle regioni che devono diventare parte del componente.
Da un punto di vista industriale questo approccio potrebbe rendere più semplice anche il recupero della polvere non stampata, anche se la reale riciclabilità dovrà essere valutata attraverso studi dedicati per verificare eventuali contaminazioni e modificazioni della superficie dopo più cicli.
Un possibile vantaggio ambientale, ma da quantificare sull’intero processo
Uno degli obiettivi dichiarati dai ricercatori riguarda la riduzione delle problematiche associate ad alcune formulazioni a base di resina.
Leganti organici e solventi possono generare composti volatili durante lavorazione e debinding e possono contribuire alla presenza di residui carboniosi.
L’utilizzo di acqua come principale componente liquido e di una concentrazione di PVA dell’1% permette di ridurre la quantità di materiale organico introdotta nel processo.
Questo costituisce una direzione interessante per rendere la chimica del Binder Jetting più semplice da gestire.
La sostenibilità complessiva non può tuttavia essere determinata considerando soltanto il legante.
La sinterizzazione a 1.450 °C richiede energia, così come produzione della polvere mediante atomizzazione, trattamento sotto vuoto e gestione termica dell’intero ciclo.
Per determinare il vantaggio ambientale effettivo sarebbe quindi necessario un Life Cycle Assessment che confronti la nuova formulazione con sistemi commerciali equivalenti lungo l’intera catena produttiva.
Dal singolo ugello MicroFab a una futura piattaforma produttiva
La tecnologia presenta inoltre una chiara sfida di scala.
La testina MJ-AL-01 di MicroFab Technologies utilizzata dall’University of Sheffield è uno strumento ideale per studiare formazione e comportamento delle gocce, ma una macchina industriale deve distribuire il legante su superfici molto più estese e a velocità elevate.
Un’industrializzazione richiederebbe pertanto di dimostrare che la formulazione PVA rimanga stabile in una testina dotata di centinaia o migliaia di ugelli.
Bisognerebbe analizzare intasamento, evaporazione dell’acqua, uniformità termica, variazioni di viscosità lungo la barra di stampa e stabilità del legante durante turni di produzione prolungati.
Il riscaldamento, che nel sistema sperimentale migliora la deposizione, dovrà essere controllato in modo uniforme quando il volume di liquido e il numero di ugelli aumenteranno.
La gestione termica diventa parte della tecnologia inkjet
Questo punto potrebbe avere conseguenze più ampie per lo sviluppo del Binder Jetting.
La testina non deve essere considerata soltanto un dispositivo che apre e chiude migliaia di piccoli ugelli.
Può diventare un vero sistema di condizionamento del fluido.
Regolando la temperatura è possibile intervenire sulla viscosità e sulla tensione superficiale senza modificare necessariamente la composizione chimica del legante.
Per gli sviluppatori di macchine, questo potrebbe ampliare la finestra di formulazioni utilizzabili.
La disponibilità di testine industriali progettate per lavorare con fluidi acquosi e con sistemi di gestione termica dedicati diventa quindi un elemento importante tanto quanto la formulazione del materiale stesso.
Non basta raggiungere il 99% di densità
I risultati ottenuti dall’University of Sheffield sono promettenti, ma rappresentano una fase di sviluppo del processo.
Per valutare la tecnologia in applicazioni industriali sarà necessario approfondire parametri che vanno oltre densità, durezza e resistenza a trazione.
La porosità residua deve essere analizzata per dimensione, forma e distribuzione. Sarà necessario comprendere il comportamento a fatica, la resistenza alla corrosione e la variabilità tra diversi lotti di produzione.
Un altro elemento sarà la precisione dimensionale.
Il ritiro vicino al 15% può essere compensato nel modello digitale, ma perché la compensazione funzioni industrialmente il fenomeno deve essere ripetibile da costruzione a costruzione e prevedibile anche su geometrie differenti.
Pezzi con sezioni molto diverse tra loro possono inoltre ritirarsi in modo non uniforme.
La dimostrazione su campioni standard rappresenta quindi una base, non la conclusione della qualificazione.
Una ricerca che porta il legante al centro dello sviluppo del Binder Jetting
Il risultato più importante del lavoro dell’University of Sheffield potrebbe essere proprio il cambio di prospettiva.
Nel Binder Jetting metallico l’attenzione viene spesso concentrata sulla produttività della macchina, sulle caratteristiche della polvere o sul forno di sinterizzazione.
Lo studio di Zakki Fuadi Emzain, Alkim Aydin, Patrick J. Smith e Kamran Mumtaz mostra invece quanto le proprietà di una quantità molto ridotta di liquido possano influenzare l’intera catena.
Con una soluzione costituita da appena l’1% di PVA Alfa Aesar in acqua deionizzata, una testina riscaldata MicroFab Technologies, polvere 316L Carpenter Additive e un ciclo di sinterizzazione ottimizzato, il gruppo dell’University of Sheffield ha ottenuto una densità relativa del 98,66% misurata con metodo di Archimede, una resistenza a trazione di 517,46 MPa e una durezza di 156,3 HV senza ricorrere all’HIP.
Il prossimo passaggio sarà verificare se gli stessi principi possono essere trasferiti da una piattaforma sperimentale a sistemi Binder Jetting con volumi, velocità e numero di ugelli compatibili con la produzione.
Se questo trasferimento risulterà possibile, la combinazione tra leganti acquosi, controllo termico della testina e basse quantità di materiale organico potrebbe diventare un’ulteriore strada per migliorare la gestione del Binder Jetting metallico senza intervenire soltanto sulla macchina o sulla fase di sinterizzazione.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
