Un gruppo di ricercatori ha progettato e testato un corpo fresa realizzato in acciaio maraging M300 mediante tecnologia di Selective Laser Melting (SLM), integrando all’interno del corpo utensile canali di raffreddamento conformi al profilo della testa di taglio. L’obiettivo è migliorare l’evacuazione del calore durante la fresatura, prolungare la vita degli inserti e consentire parametri di taglio più spinti rispetto agli utensili tradizionali con fori di refrigerazione rettilinei.
Microstruttura dell’acciaio M300 SLM e trattamenti termici
Lo studio si è concentrato inizialmente sulla caratterizzazione dell’acciaio maraging M300 prodotto per SLM, osservando la microstruttura mediante SEM e TEM dopo specifici cicli di trattamento termico. In seguito all’invecchiamento, nella matrice sono stati individuati numerosi nano-precipitati che hanno portato a un incremento della tensione di snervamento a compressione del 31,4% e a un aumento della durezza del 54,3% nella direzione verticale, valori fondamentali per garantire la resistenza meccanica del corpo fresa in condizioni di sollecitazione ciclica e termica elevate.
L’uso di M300 in SLM è particolarmente interessante perché combina la possibilità di ottenere geometrie interne complesse (canali di raffreddamento curvi, reticoli alleggeriti) con proprietà meccaniche comparabili o superiori a quelle delle controparti forgiate o lavorate per asportazione di truciolo, una volta ottimizzati parametri di processo e trattamento. Altri lavori industriali su inserti di raffreddamento conformi per stampi ad alta produttività confermano la fattibilità di acciai maraging stampati in 3D per applicazioni sottoposte a forti gradienti termici e cicli ripetuti.
Progettazione della fresa con canali di raffreddamento conformi
Sulla base dei risultati metallurgici, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo concetto di corpo fresa integrando canali di raffreddamento che seguono in modo conforme la geometria della testa e la posizione degli inserti. La progettazione è stata supportata da simulazioni agli elementi finiti (FEM) per analizzare distribuzione delle tensioni e comportamento termico sotto differenti condizioni di taglio e portate di refrigerante.
A differenza delle soluzioni convenzionali, dove i fori di raffreddamento sono tipicamente diritti e limitati dalle possibilità di foratura profonda, i canali conformi realizzati in SLM possono avvolgersi intorno alle sedi degli inserti, mantenendo distanze costanti dalle superfici critiche. Questo consente un raffreddamento più uniforme, una riduzione dei picchi termici localizzati e, di conseguenza, una minore degradazione dei rivestimenti e del substrato degli inserti in metallo duro.
Test tecnologici a confronto con una fresa convenzionale
Dopo la produzione del corpo fresa tramite SLM e la successiva rimozione dei supporti e finitura delle superfici funzionali, l’utensile è stato sottoposto a prove tecnologiche comparate con un corpo fresa convenzionale, sotto identiche condizioni di taglio. La sperimentazione ha riguardato operazioni di spianatura (face milling), fresatura di cave (slotting) e fresatura a spallamento (shoulder milling), su materiali diversi e con differenti set di parametri (velocità di taglio, avanzamento, profondità di passata).
In ciascun scenario sono stati monitorati parametri come forza di taglio, temperatura dell’utensile, qualità della superficie lavorata e, soprattutto, durata degli inserti. I risultati hanno mostrato che il corpo fresa prodotto in SLM con raffreddamento interno conforme consente un prolungamento della vita utensile fino al 20% rispetto al corpo tradizionale, a parità di condizioni di raffreddamento interno, con un effetto particolarmente evidente nelle operazioni con carico termico più elevato.
Benefici industriali del raffreddamento conforme sugli utensili di taglio
Il beneficio principale dei canali conformi in un corpo fresa è la maggiore efficienza di raffreddamento degli inserti, che si traduce in riduzione delle deformazioni termiche, minore rischio di cricche termiche e stabilità dimensionale più elevata del tagliente nel tempo. In altri studi su inserti e stampi per iniezione realizzati via SLM, l’impiego di canali conformi ha portato a riduzioni dei tempi di raffreddamento del pezzo fino a circa il 20%, con conseguenti risparmi di tempo ciclo e costi complessivi di produzione.
Nel caso di una fresa, una migliore stabilità termica permette anche di spingere i parametri di taglio (velocità e avanzamenti) mantenendo un livello accettabile di usura e di qualità superficiale, aumentando la produttività senza compromettere l’affidabilità dell’utensile. Questo approccio apre la strada a una riprogettazione sistematica di corpi utensile per fresatura, alesatura o foratura profonda, dove la stampa 3D metallica diventa lo strumento abilitante per integrare percorsi di refrigerante impensabili con le tecnologie tradizionali.
Sfide di progettazione, costo e standardizzazione
Nonostante i risultati positivi, l’adozione industriale di frese prodotte per SLM con raffreddamento conforme richiede la valutazione di vari fattori: costo di produzione del corpo utensile, ripetibilità dimensionale, finitura superficiale interna dei canali e integrazione con sistemi di attacco e bloccaggio esistenti. Nel lavoro citato, la fattibilità tecnica è stata dimostrata, ma la scalabilità economica dipende dal numero di utensili, dalla complessità geometrica e dal valore della produttività aggiuntiva generata dal 20% di incremento della vita utensile.
Altre ricerche su inserti di raffreddamento conformi per stampi ad alto volume mostrano che, anche quando il beneficio di riduzione del tempo ciclo è nell’ordine dell’8–20%, il bilancio economico può risultare favorevole se si considerano riduzione dei tempi, miglior qualità dei pezzi e minore scarto. Le aziende che sviluppano utensili speciali per lavorazioni critiche possono quindi valutare un modello ibrido in cui corpi standard restano produttivi in modo tradizionale, mentre le soluzioni speciali ad alto valore vengono ottimizzate tramite produzione additiva metallica.
