Con la crescente richiesta di parti metalliche su larga scala in settori come l’energia pulita, l’aerospaziale e la difesa, l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta guidando la ricerca per rafforzare la produzione nazionale in quest’area. Grazie ai progressi nella pressatura isostatica a caldo della metallurgia delle polveri (PM-HIP) combinati con la produzione additiva (AM), ORNL sta sviluppando un’alternativa ad alta precisione ai metodi tradizionali di fusione e forgiatura.
Tecnologia PM-HIP come alternativa alla fusione e forgiatura
Con molte capacità di fusione e forgiatura che si sono spostate all’estero, gli Stati Uniti si trovano ad affrontare difficoltà nella catena di fornitura per componenti di grandi dimensioni, che superano le 10.000 libbre. L’ORNL sta esplorando il PM-HIP come soluzione, combinando la stampa 3D per un controllo migliorato del processo e una maggiore complessità geometrica. Il processo prevede la fabbricazione di stampi preformati, noti come “lattine”, mediante la produzione additiva ad arco di filo (WAAM) e metodi ibridi additivi-sottrattivi, successivamente riempiti con polveri metalliche.
Gli stampi vengono sigillati e sottoposti a cicli di riscaldamento e pressurizzazione in una pressa isostatica a caldo (HIP). A differenza dei metodi tradizionali, questo processo di legame allo stato solido consolida le polveri metalliche in geometrie dense e complesse senza fonderle, consentendo tolleranze più strette e riducendo la porosità. Questo approccio non solo garantisce flessibilità di progettazione, ma apre anche la strada a costruzioni multi-materiale, cruciali per settori con requisiti di alte prestazioni.
Affrontare il restringimento volumetrico con la modellazione computazionale
Uno dei principali ostacoli nel PM-HIP è la gestione del restringimento volumetrico delle polveri metalliche, che può raggiungere fino al 30% durante il consolidamento. Questo restringimento varia in base alla complessità della geometria, rendendo difficile mantenere la precisione dimensionale. Jason Mayeur, ricercatore senior specializzato in meccanica dei solidi computazionale, ha sviluppato modelli predittivi per simulare il comportamento del restringimento su diverse geometrie, guidando le modifiche iterative del progetto dello stampo per garantire che la parte finale soddisfi le specifiche.
“Il PM-HIP offre un percorso controllato per la produzione di parti metalliche su larga scala che sono sempre più difficili da ottenere con i metodi convenzionali”, afferma Mayeur. Le sue simulazioni contribuiscono a ottimizzare i cicli di riscaldamento e pressione per diverse leghe, prevedendo le caratteristiche di deformazione.
Supporto sperimentale alla ricerca computazionale
A complemento delle previsioni di Mayeur, il metallurgista Soumya Nag sta conducendo ricerche sperimentali sul PM-HIP, concentrandosi sulla fabbricazione di capsule tramite AM e sulla valutazione della qualità delle parti risultanti. Nag testa le proprietà meccaniche delle polveri metalliche per garantire la loro affidabilità nelle condizioni impegnative del processo HIP. La sua esperienza nella caratterizzazione delle microstrutture e nella valutazione delle leghe ad alta temperatura supporta lo sviluppo di procedure PM-HIP affidabili.
“Combinando la flessibilità progettuale della produzione additiva con l’affidabilità del PM-HIP, possiamo produrre parti su misura per applicazioni energetiche e di difesa”, spiega Nag. La collaborazione tra modellazione computazionale e test empirici consente a ORNL di spingersi oltre i limiti di ciò che è possibile con il PM-HIP, assicurando che le parti soddisfino gli standard elevati richiesti per le infrastrutture critiche.
La capacità del PM-HIP di produrre parti metalliche ad alta integrità a livello nazionale potrebbe aiutare gli Stati Uniti a ridurre la dipendenza dai fornitori esteri, migliorando la resilienza della catena di fornitura. Per i settori nucleare, idroelettrico e aerospaziale, il PM-HIP offre un metodo per produrre componenti grandi e complessi, come recipienti a pressione e giranti, con migliorate proprietà meccaniche, come una maggiore tenacità e resistenza alla fatica termica.
Applicazioni strategiche e decarbonizzazione
Inoltre, i progressi di ORNL sono allineati con l’obiettivo del Dipartimento dell’Energia di decarbonizzare il settore energetico. Il PM-HIP consente l’uso di materiali ad alte prestazioni nelle infrastrutture di generazione e distribuzione dell’energia, supportando la transizione verso sistemi più efficienti e a basse emissioni. Produrre localmente tali componenti può anche ridurre l’impronta di carbonio associata al trasporto internazionale e alle catene di fornitura lunghe.
Prossimi passi: workshop per promuovere l’adozione del PM-HIP
Per affrontare le sfide tecniche ancora presenti e accelerare l’adozione industriale, ORNL organizzerà un workshop sul PM-HIP il 9 e 10 ottobre 2024 presso la sua Manufacturing Demonstration Facility (MDF). Supportato dalla Metal Powder Industries Federation e dall’Electric Power Research Institute, l’evento riunirà produttori, ricercatori e decisori politici per perfezionare i processi PM-HIP ed espandere la loro applicabilità.
Questo workshop fa parte di un’iniziativa più ampia di ORNL, sostenuta dall’Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO) del Dipartimento dell’Energia, per promuovere soluzioni di produzione avanzate. L’obiettivo è rafforzare i legami tra industria e ricerca accademica, identificando esigenze specifiche di ricerca e avvicinando questa tecnologia alla commercializzazione.
