La stampa 3D porta il metallo duro direttamente nei componenti fusi soggetti a usura severa
Il problema: usura erosiva nelle pompe industriali di grandi dimensioni
Nelle applicazioni industriali che gestiscono fluidi abrasivi — come le pompe per fanghi minerari, le pompe da dragaggio o quelle impiegate in impianti di trattamento acque — l’usura erosiva è tra le principali cause di guasto. I componenti a contatto con slurry (miscele di acqua e particelle solide dure) subiscono un degrado accelerato delle superfici interne, con conseguenti fermi macchina, costi di manutenzione elevati e necessità di sostituzioni frequenti.
I materiali tradizionalmente impiegati per resistere a questi fenomeni sono la ghisa alto-cromo e l’acciaio temprato. Tuttavia entrambi presentano limiti ben noti: la ghisa alto-cromo offre una buona resistenza all’usura ma è fragile e difficile da lavorare su geometrie complesse; l’acciaio temprato è più tenace ma si consuma molto più velocemente in presenza di abrasivi.
Una soluzione più performante esiste da tempo nella metallurgia: i carburi cementati (in tedesco Hartmetall), materiali ceramico-metallici con durezza elevatissima. Il problema è che la loro produzione convenzionale avviene per sinterizzazione di polveri, il che rende molto difficile — se non impossibile — realizzare pezzi di grandi dimensioni o con geometrie interne complesse. La stampa 3D di metallo offre invece quella libertà di forma, ma le macchine attuali hanno volumi di costruzione limitati, incompatibili con le dimensioni di un corpo pompa industriale da lavoro.
VBN Components e la soluzione ibrida: inserto additivo in componente fuso
L’azienda svedese VBN Components, con sede a Uppsala, ha sviluppato e presentato — in collaborazione con un importante produttore di pompe industriali (al momento non identificato pubblicamente) — un processo produttivo ibrido che affronta proprio questo problema. L’approccio non punta a fabbricare l’intero corpo pompa in stampa 3D, bensì a produrre additivamente solo le zone più esposte all’usura, sotto forma di inserti geometricamente ottimizzati, e a integrarli successivamente nella fusione in ghisa.
Gli inserti vengono stampati in 3D nel materiale proprietario Vibenite 480, un carburo cementato ibrido sviluppato da VBN Components, e poi posizionati nello stampo di fusione prima della colata. La ghisa alto-cromo fusa viene quindi colata attorno agli inserti, formando un componente monolitico in cui le zone critiche sono costituite dal materiale ad altissima resistenza all’usura, mentre la struttura portante è realizzata nel materiale convenzionale.
Vibenite 480: proprietà e caratteristiche del materiale
Vibenite 480 è classificato da VBN Components come un hybrid carbide, ossia un materiale che combina le caratteristiche dei carburi cementati tradizionali (durezza e resistenza al calore) con la tenacità degli acciai ad alta velocità prodotti per metallurgia delle polveri (PM-HSS). La sua composizione prevede circa il 65% in volume di carburi finemente dispersi all’interno di una matrice metallica.
La durezza raggiunge valori compresi tra 66 e 70 HRC, con punte misurate fino a 75,5 HRC nelle versioni più recenti. La stabilità termica è un altro punto di forza: il materiale non subisce trasformazioni di fase alle alte temperature di esercizio, il che lo rende adatto anche ad applicazioni che prevedono riscaldamento per attrito o trattamenti termici post-produzione. La resistenza a lungo termine all’usura ad alta temperatura è stata misurata fino a 750°C.
Rispetto agli altri materiali della gamma Vibenite, il 480 si posiziona al vertice per resistenza all’usura, mentre varianti come Vibenite 280 (durezza 63-72 HRC) sono ottimizzate per applicazioni da taglio come frese, brocce e utensili per dentatura, e Vibenite 350 (durezza ~60 HRC) è pensata per applicazioni che richiedono anche resistenza alla corrosione, come giranti di pompe e valvole.
La produzione avviene mediante electron beam melting (EBM), un processo di fusione a letto di polvere con fascio di elettroni in camera a vuoto, che garantisce l’assenza di porosità e una microstruttura uniforme in tutto il volume del pezzo.
La zona di transizione VNNZ: il nodo tecnico chiave
L’elemento più critico del processo ibrido sviluppato da VBN Components è la gestione dell’interfaccia tra l’inserto stampato in 3D e la ghisa colata. Quando un metallo fuso ad alta temperatura viene versato attorno a un inserto solido, si creano fenomeni metallurgici complessi: la schmelze (il metallo fuso) può sciogliere parzialmente il materiale dell’inserto, mescolarsi con esso in modo incontrollato, oppure creare zone di transizione con difetti strutturali che compromettono l’adesione meccanica e le proprietà del componente finito.
Per risolvere questo problema, VBN Components ha sviluppato durante il processo di stampa una zona di interfaccia appositamente progettata, denominata Vibenite Nucleation Net Zone (VNNZ). Questa zona non è un rivestimento applicato in post-produzione, ma viene generata direttamente durante la costruzione additiva dell’inserto, come strato esterno con composizione chimica e struttura cristallina ottimizzata per favorire il legame metallurgico con la ghisa alto-cromo durante la colata.
La funzione della VNNZ è duplice: da un lato impedisce che la ghisa fusa dissolva o alteri le proprietà del nucleo in Vibenite 480; dall’altro promuove una giunzione stabile tra i due materiali, senza necessità di adesivi, saldature o connessioni meccaniche. Il risultato è un componente con continuità metallurgica all’interfaccia, in grado di sopportare carichi termici e meccanici significativi senza delaminazione o distacco.
I dati sulle prestazioni: confronto con i materiali tradizionali
VBN Components ha condotto test di usura in condizioni rappresentative dell’ambiente operativo delle pompe per fanghi. I risultati indicano che Vibenite 480 raggiunge una resistenza all’usura erosiva circa dieci volte superiore rispetto alla ghisa alto-cromo comunemente usata per questi componenti. Il confronto con l’acciaio temprato è ancora più netto: il Vibenite 480 supera l’acciaio temprato di circa cento volte in termini di perdita di materiale per erosione abrasiva.
Questi dati, se confermati in condizioni operative reali, hanno implicazioni dirette sulla vita utile dei componenti e sulla frequenza degli interventi di manutenzione. In un impianto minerario o in una stazione di pompaggio, ogni fermo non programmato comporta costi significativi; allungare la vita di un componente critico anche di un fattore 5-10x si traduce in risparmi operativi sostanziali.
Vantaggi produttivi: dimensioni e costi
Uno dei vantaggi strategici di questo approccio ibrido è la scalabilità verso componenti di grandi dimensioni. I corpi pompa per applicazioni da dragaggio o minerarie possono avere diametri nell’ordine del metro o più; nessuna macchina per la stampa 3D di metallo attualmente disponibile sul mercato è in grado di costruire pezzi di queste dimensioni in un unico ciclo. La fonderia, al contrario, non ha limiti pratici di scala per questo tipo di geometrie.
Producendo additivamente solo gli inserti nelle zone di usura — che possono avere dimensioni ridotte, dell’ordine di pochi decimetri o anche meno — e integrandoli nella fusione convenzionale, si ottiene il meglio dei due processi: la libertà geometrica e la qualità del materiale della manifattura additiva, abbinati alla capacità produttiva e alla scalabilità della fonderia.
Questo riduce anche i costi rispetto a un’ipotetica costruzione interamente additiva del componente: il materiale Vibenite viene impiegato solo dove serve, mentre la struttura portante viene realizzata con ghisa convenzionale a costo molto inferiore.
VBN Components: profilo dell’azienda
VBN Components AB è un’azienda svedese fondata a Uppsala, specializzata nello sviluppo e nella produzione di componenti metallici ad alta resistenza all’usura tramite manifattura additiva. L’azienda opera con un portafoglio di materiali proprietari brevettati denominati Vibenite, che coprono un range di applicazioni che va dagli utensili da taglio per l’industria metalmeccanica ai componenti di pompe, valvole e applicazioni in ambienti abrasivi.
La gamma Vibenite comprende cinque materiali principali (150, 280, 350, 480 e varianti Combo), ciascuno ottimizzato per diversi equilibri tra durezza, tenacità, resistenza alla corrosione e resistenza al calore. Il processo produttivo si basa sull’EBM e su trattamenti termici post-stampa sviluppati internamente. VBN Components offre sia la produzione diretta di componenti su disegno cliente, sia licenze per la produzione in-house.
Il CTO dell’azienda, Dr. Ulrik Beste, ha commentato lo sviluppo: “Mostriamo come la superiore resistenza all’usura di Vibenite 480 possa essere integrata in componenti industriali di grandi dimensioni in modo pratico e scalabile, combinando le prestazioni dei materiali con la libertà di progettazione della manifattura additiva.”
Prospettive e prossimi passi
La fase attuale dello sviluppo riguarda la validazione del processo su inserti in geometria di lastra (plate). Il passo successivo previsto da VBN Components è la validazione completa del processo su corpi pompa per fanghi di dimensioni reali, in cui gli inserti in Vibenite 480 con VNNZ verranno integrati in fusioni di scala industriale e sottoposti a test operativi in campo.
La flessibilità geometrica degli inserti è un elemento sottolineato dalla stessa azienda: la forma degli inserti non è vincolata a semplici piastre, ma può essere adattata alla geometria specifica delle zone di usura di ciascun componente, sfruttando la libertà di forma della stampa 3D per ottimizzare la copertura delle superfici critiche.
Se la validazione in scala reale confermerà i risultati dei test preliminari, il processo potrebbe trovare applicazione non solo nelle pompe per fanghi, ma in tutti quei settori industriali in cui componenti fusi di grandi dimensioni operano in ambienti fortemente abrasivi: draghe, mulini, impianti di trattamento acque, industria mineraria e cementiera.
