Sensori magnetostrittivi: cosa sono e perché interessano l’industria
La magnetostrizione è la proprietà per cui alcuni materiali cambiano dimensioni quando vengono magnetizzati; in modo complementare, se sottoposti a sforzo meccanico possono modificare il loro stato magnetico (effetti magnetoelastici). Questa famiglia di fenomeni è alla base di sensori e attuatori impiegati per misurare posizione, deformazioni, forze e vibrazioni, con applicazioni che spaziano dal monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring) ai dispositivi per l’Internet of Things, fino alla strumentazione di misura in ambito industriale e biomedicale.
Il progetto della University of Sheffield: magnetostrizione “progettata” con la stampa 3D
Un progetto di ricerca della University of Sheffield mostra come l’additive manufacturing possa essere usato non solo per creare forme complesse, ma anche per tarare proprietà funzionali utili a sensori e attuatori magnetostruttivi. L’idea è combinare la libertà geometrica della stampa 3D con un percorso di post-process che porti a parti metalliche dense e ripetibili, così da poter studiare come microstruttura e architettura influenzano coercività, magnetizzazione e anisotropie, parametri che impattano direttamente le prestazioni di un sensore.
Tecnologia di produzione: estrusione con feedstock metallo-polimero e sinterizzazione
Il lavoro utilizza un sistema estrusivo basato su feedstock metallo-polimero: si stampano “green parts” (pezzi verdi) che vengono poi debindati (rimozione del legante) e sinterizzati fino a ottenere componenti metallici con densità indicata oltre il 99% della densità teorica. Questo approccio evita l’impiego di alte temperature durante la fase di stampa e rende possibile realizzare geometrie complesse con un controllo fine del disegno; è anche una via praticabile per produrre lotti di prova e iterare velocemente sul design, senza passare da stampi o attrezzaggi dedicati tipici di altri processi metallurgici.
Materiale scelto: acciaio inox 17-4 PH e comportamento magnetico “soft”
Come materiale è stato impiegato l’acciaio inossidabile 17-4 PH (AISI 630), indicato nel progetto come adatto a impieghi “smart” per via di una bassa coercitività e di un’alta magnetizzazione di saturazione nel contesto delle leghe considerate. In letteratura, l’ottimizzazione di proprietà magnetiche e magnetostrictive nel 17-4 PH stampato (e sinterizzato) è stata già oggetto di studi, con risultati che collegano processo, porosità e microstruttura alla risposta magnetica e magnetoelastica: un aspetto utile quando l’obiettivo non è solo “fare il pezzo”, ma ottenere un comportamento misurabile e stabile in funzione di sforzi, campi o vibrazioni.
Geometrie a nido d’ape: perché la forma conta quanto la chimica
Nel progetto sono state stampate anche strutture a nido d’ape variando parametri geometrici (ad esempio la larghezza dei setti) per studiare come l’architettura influenzi le proprietà magnetiche. Questo filone è rilevante per la sensoristica perché l’uscita del sensore può dipendere non solo dal materiale, ma anche da come il materiale è distribuito nello spazio: reticoli e strutture cellulari permettono di progettare rigidezze locali, percorsi di flusso magnetico e sensibilità meccanica. In prospettiva, la manifattura additiva consente quindi di pensare a sensori “integrati” dove corpo meccanico e funzione di misura convivono nella stessa parte.
Misure magnetiche con SQUID e risultati numerici riportati
La caratterizzazione è stata condotta con un magnetometro SQUID, ripetendo le misure in più stadi del processo: dal materiale di partenza, al pezzo stampato, fino al componente sinterizzato. Nel resoconto viene riportato che, nel campione finale, la coercività diminuisce del 12,6% mentre la magnetizzazione di saturazione aumenta di circa 18%; viene inoltre indicata una riduzione dell’anisotropia magnetica, attribuita a fenomeni come crescita del grano e riduzione della porosità dopo la sinterizzazione. Dal punto di vista applicativo, ridurre coercività e anisotropie può aiutare la ripetibilità della risposta e la sensibilità in alcune architetture di sensore magnetoelastico.
Densità, porosità e microstruttura: il ruolo dei parametri di processo
Nella manifattura additiva per estrusione e sinterizzazione, la risposta finale dipende da variabili come temperatura di stampa, spessore layer, pattern di riempimento, moltiplicatore di estrusione e dal ciclo termico di debinding/sintering. Diversi studi su 17-4 PH in material extrusion mostrano come tali parametri influenzino densità “as-printed”, difetti interni e comportamento dopo sinterizzazione; questi effetti sono coerenti con quanto osservato nel progetto, dove la diminuzione della porosità e l’evoluzione microstrutturale vengono collegate a un miglioramento dei parametri magnetici.
Dalla ricerca alle applicazioni: SHM, IoT e misura in spazi ridotti
Il lavoro si inserisce nella tendenza della stampa 3D di materiali funzionali per realizzare sensori più compatti e integrabili. In contesti SHM, per esempio su compositi o componenti metallici, sensori magnetostrictive possono essere impiegati per intercettare danni difficili da osservare e per monitorare variazioni legate a carichi o vibrazioni; in ambito IoT e manutenzione predittiva, un sensore magnetoelastico progettato insieme alla geometria del supporto può semplificare l’integrazione su macchine e strutture. Il progetto evidenzia quindi una direzione: usare l’additive manufacturing per passare da sensori “aggiunti” a sensori “parte del componente”.
Royce Translational Centre e infrastrutture: perché contano per la trasferibilità industriale
Nel resoconto viene citato anche il Royce Translational Centre, collegato alle attività del Henry Royce Institute presso Sheffield, come contesto abilitante per la ricerca e la formazione (con riferimento a un dottorando coinvolto). Strutture di questo tipo sono rilevanti perché mettono a disposizione catene complete “powder-to-part” e competenze di processo, permettendo di validare materiali e percorsi produttivi con un’attenzione più vicina alle esigenze industriali (densità, ripetibilità, caratterizzazione metrologica e readiness per applicazioni).
