Introduzione alla microstruttura cellulare
Un gruppo di ricerca dell’Università di Osaka ha messo a punto un’indagine sui componenti metallici realizzati con la tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF). In particolare, gli studiosi hanno confrontato l’influenza di due tipi di microstruttura—lamellare e cellulare—sulle proprietà meccaniche dei materiali. Il primo tipo di struttura si configura su scala micrometrica, con lamine cristalline ben definite, mentre il secondo si manifesta a livello nanometrico, con celle ordinate generate dalla rapida solidificazione del metallo fuso.
Metodologia sperimentale
Per valutare separatamente l’apporto di ciascuna microstruttura, il team ha creato quattro serie di provini:
-
Con entrambe le strutture presenti
-
Solo con lamelle cristalline
-
Solo con celle nanoscalari
-
Senza alcuna delle due strutture
Le lamelle sono state eliminate agendo sul percorso di scansione del laser, variando parametri come la velocità e l’angolo di incidenza. Al contrario, la rimozione delle celle cellulari ha richiesto un trattamento termico mirato, con ciclo di riscaldamento e raffreddamento controllato in forno a induzione. In questo modo ogni provino presentava un solo elemento strutturale attivo, permettendo un’analisi comparativa delle performance meccaniche.
Risultati sulle proprietà meccaniche
I test di trazione hanno evidenziato che la presenza della lamellare aumenta la resistenza a snervamento di pochi punti percentuali, un miglioramento apprezzabile ma modesto. La cellula nanoscalare ha invece mostrato un’influenza ben più marcata, con un incremento di circa il 40 % nella carico di snervamento. Questo salto deriva dall’elevata densità di dislocazioni e dalla distribuzione omogenea di elementi di lega lungo i confini cellulari, che ostacolano efficacemente la propagazione delle cricche.
Applicazioni industriali e aziende coinvolte
Poiché la tecnologia LPBF è impiegata da realtà come EOS, SLM Solutions, GE Additive e Nikon SLM, queste scoperte possono essere implementate su vasta scala. In ambito aerospaziale, la Boeing e la Airbus potrebbero sfruttare componenti con microstruttura cellulare per ottenere parti più leggere e resistenti. Il settore energetico, con società come Siemens Energy, punta a turbine e valvole a pressione migliorate. Nel campo medicale, Zimmer Biomet e Stryker potrebbero produrre impianti ortopedici caratterizzati da durata superiore e migliore biocompatibilità.
Vantaggi per la progettazione di leghe
Le microstrutture cellulari emergono spontanee in molte leghe a base di nichel, titanio e acciai inossidabili durante la stampa LPBF. Sfruttando adeguati cicli termici, è possibile accentuare o attenuare la formazione delle celle, adattando le proprietà del materiale alle esigenze del componente. In confronto alle tecniche tradizionali di metallurgia dei polveri, questo approccio non limita la libertà geometrica tipica della stampa 3D.
Prospettive di sviluppo
L’integrazione di analisi numeriche, ad esempio con software di simulazione termomeccanica come ANSYS Additive o Siemens NX AM, potrà ottimizzare ulteriormente i parametri di processo. Collaborazioni tra università e imprese produttive – come quelle già avviate fra l’Università di Osaka e aziende quali AMETEK e Carpenter Technology – faciliteranno la traduzione dei risultati di laboratorio in linee di produzione. Tra gli sviluppi futuri si prevede l’adozione di sistemi di monitoraggio in-situ per regolare in tempo reale la formazione delle microstrutture durante la stampa.
