Perché l’H13 è un banco di prova “serio” per il tooling
L’acciaio H13 è uno dei riferimenti industriali per utensili da lavorazioni a caldo: stampi per pressofusione, attrezzature per forgiatura e matrici per estrusione. In questi contesti la criticità non è solo la resistenza meccanica, ma la tenuta a cicli termici ripetuti (fatica termica), l’usura e la stabilità dimensionale a temperature elevate. L’additive manufacturing (AM) permette di introdurre geometrie altrimenti difficili o impossibili da ottenere con lavorazioni convenzionali, come canali di raffreddamento conformali, con potenziali vantaggi nella gestione termica dello stampo e nella qualità del pezzo prodotto.
Il problema: “stesso materiale” non significa “stesso comportamento”
Quando si parla di H13 stampato in 3D, spesso si tende a ragionare per etichette (“LPBF”, “DED”, “binder jetting”) senza quantificare quanto cambino densità, difetti interni, microstrutture e risposta ai trattamenti termici. Eppure, per il tooling, questi aspetti sono decisivi: porosità e cricche possono innescare rotture in esercizio, mentre microstruttura e storia termica del processo influenzano durezza, tenacità e resistenza alla rinvenitura. Proprio per colmare una mancanza di confronti “a parità di criteri”, un gruppo di ricerca ha impostato uno studio comparativo su più tecnologie AM, tutte applicate allo stesso acciaio H13.
Lo studio comparativo: cinque vie produttive per lo stesso H13
I ricercatori della Wroclaw University of Science and Technology hanno pubblicato su Materials un confronto sperimentale fra cinque metodi di produzione additiva dell’H13, mettendo in evidenza differenze nette tra processi basati su fusione (melt-based) e processi basati su sinterizzazione (sinter-based). Il lavoro include:
- una soluzione “filament-based” con estrusione e successiva sinterizzazione (FDMS), testata su due sistemi commerciali;
- il binder jetting, con consolidamento tramite sinterizzazione;
- la Laser Powder Bed Fusion (LPBF);
- la Directed Energy Deposition (DED) in configurazione a filo (wire-DED).
L’obiettivo non è decretare un “vincitore assoluto”, ma capire quali compromessi si pagano (o si evitano) in funzione dell’applicazione: piccolo stampo ad alta precisione, utensile grande, riparazioni/riporto, piccole serie, prototipazione funzionale.
Densità e porosità: la frattura tra sinterizzazione e fusione
Il dato che separa più chiaramente le tecnologie è la porosità residua. Nel caso FDMS (estrusione + sinterizzazione) i campioni mostrano la porosità più elevata, nell’ordine di circa 6% fino a oltre 9%, con difetti concentrati lungo i confini tra strati e in corrispondenza di giunzioni tra grani, oltre a cricche localizzate. Il binder jetting sale a densità molto più alte, con porosità indicata intorno a ~0,7%. LPBF e DED, invece, arrivano a componenti prossimi alla piena densità, con porosità sotto 0,1%.
Questa differenza non è solo “numerica”: in tooling anche piccole quantità di difetti possono diventare siti d’innesco per cricche, soprattutto sotto cicli termici e carichi ripetuti. Non a caso, nello studio i campioni FDMS — proprio per l’elevato contenuto di difetti interni — vengono esclusi dalle valutazioni successive sui trattamenti termici, perché porosità e cricche rendono poco affidabili misure come la durezza e aumentano il rischio di rottura durante la tempra.
Microstrutture e storia termica: perché LPBF e DED non sono “uguali” anche se entrambi fondono
Sebbene LPBF e DED ricadano nella famiglia dei processi melt-based, il modo in cui il calore entra ed esce dal materiale è molto diverso. LPBF lavora con cordoni e piscine di fusione molto piccole e raffreddamenti rapidi; inoltre il pezzo subisce cicli termici ripetuti durante la costruzione strato su strato. DED (specie a filo) ha in genere bacini di fusione più grandi e raffreddamenti più lenti, con un apporto termico più “massivo”. Questa differenza si riflette sulla microstruttura finale e su quanto il componente risulti già “auto-rinvenuto” durante la costruzione.
Trattamenti termici: la durezza non cresce (o non cresce allo stesso modo) per tutti
Lo studio valuta varianti di trattamento termico su campioni prodotti con binder jetting, LPBF e DED: combinazioni che includono tempra, rinvenimento e tempra seguita da rinvenimento, in linea con pratiche industriali per l’H13. I trend evidenziati sono coerenti con la fisica dei processi:
- nel binder jetting i campioni possono risultare meno duri “as-printed/as-sintered”, ma mostrano una risposta marcata ai trattamenti, arrivando a durezze confrontabili con H13 trattato in modo convenzionale;
- in LPBF la durezza risulta già elevata dopo la produzione, e il rinvenimento può incrementare ulteriormente, suggerendo che una parte della “sequenza” termica non sia completata interamente in processo;
- in DED la durezza iniziale è anch’essa alta, ma la risposta ai post-trattamenti è diversa: la maggiore permanenza a temperature elevate durante la deposizione può equivalere a una forma di rinvenimento in processo; di conseguenza, ulteriori cicli possono portare a benefici limitati o, in alcune condizioni, a un eccesso di rinvenimento.
Indicazioni pratiche per scegliere la tecnologia in funzione dell’utensile
Dal confronto emerge un messaggio operativo: per l’H13 non esiste “una tecnologia migliore” in astratto, perché la scelta dipende dall’equilibrio fra requisiti dimensionali, densità, finitura, dimensione del pezzo, produttività e catena di post-process. In sintesi:
- LPBF tende a essere indicata quando servono alta precisione geometrica, dettagli fini e densità molto elevata: tipico di inserti e componenti di stampi con geometrie complesse (ad esempio canali conformali) dove la stabilità del materiale è cruciale.
- DED è più adatta quando conta la deposizione rapida su volumi grandi, per utensili di grandi dimensioni, riparazioni, riporti o rigenerazioni, dove finitura e precisione possono essere rifinite con lavorazioni successive.
- Binder jetting può essere interessante per piccole serie e geometrie dove la sinterizzazione è gestibile e l’economia di scala giustifica impianti e gestione del processo; il punto chiave è controllare bene ritiro, densificazione e uniformità.
- FDMS resta una via accessibile per costi e semplicità, ma con l’H13 — almeno nelle condizioni esaminate — la porosità elevata la rende più credibile per casi dove si accettano prestazioni inferiori o dove l’obiettivo è la validazione geometrica e non la vita a fatica di un utensile reale.
Cosa aggiunge questo confronto rispetto alla letteratura “a silos”
Molti lavori su H13 in AM si concentrano su una singola tecnologia (solo LPBF, o solo DED/WAAM, o solo binder-based), rendendo difficile per un utilizzatore industriale comparare davvero rischi e benefici. Mettere sullo stesso tavolo cinque vie produttive, con un’attenzione esplicita a porosità e risposta ai trattamenti, aiuta a trasformare la scelta tecnologia-materiale in una decisione guidata dall’applicazione: stampo ad alta precisione, inserto con canali conformali, riparazione di utensili, oppure produzione seriale di componenti di tooling.
Limiti e prossimi passi “da officina”
Un confronto di processo è utile, ma per tradurlo in specifiche di produzione servono ulteriori passaggi: tolleranze e ripetibilità tra lotti, rugosità e difetti superficiali, anisotropie meccaniche, comportamento a fatica termica e a usura in condizioni reali di stampaggio/pressofusione, oltre alla compatibilità con rivestimenti e finiture tipiche del tooling (nitrurazione, PVD, ecc.). Inoltre, per processi sinter-based è decisivo controllare atmosfera, densificazione e ritiro, perché i vantaggi economici si perdono se la variabilità dimensionale impone troppi aggiustaggi.
