La stampa 3D laser porta le leghe a memoria di forma verso applicazioni più complesse
Un componente metallico realizzato mediante produzione additiva non deve necessariamente rimanere immobile dopo essere uscito dalla macchina. Utilizzando particolari leghe è possibile costruire oggetti capaci di deformarsi, recuperare una configurazione prestabilita o reagire a variazioni di temperatura e sollecitazioni meccaniche.
È in questo passaggio, dalla geometria statica a un comportamento programmato nel tempo, che si parla di stampa 4D. La quarta dimensione non corrisponde a un nuovo asse nello spazio, ma al cambiamento che il componente manifesta dopo la produzione.
Una nuova analisi scientifica pubblicata sulla rivista Innovation Discovery esamina come i processi additivi basati su laser ed elettroni possano essere utilizzati per fabbricare leghe a memoria di forma, note con la sigla SMA, Shape Memory Alloys. Lo studio è firmato da Peyman Asghartabar Kashi, Mahdi Didari e Mahdiyar Shahbazi, ricercatori collegati all’Università di Teheran, alla University of Natural Resources and Life Sciences di Vienna, BOKU, e all’Università di Vienna.
La ricerca non presenta una singola macchina o un nuovo materiale commerciale. Riordina invece i risultati ottenuti con diverse famiglie di leghe e processi, mettendo a confronto possibilità, prestazioni e problemi ancora aperti.
Che cosa sono le leghe a memoria di forma
Le leghe a memoria di forma sono materiali metallici capaci di passare reversibilmente tra due differenti strutture cristalline.
La fase stabile alle temperature più elevate viene chiamata austenite, mentre quella presente a temperature inferiori è definita martensite. Il passaggio tra queste due configurazioni non avviene attraverso la fusione del materiale, ma tramite una riorganizzazione coordinata degli atomi allo stato solido.
Questa trasformazione permette di ottenere due comportamenti distinti.
Il primo è l’effetto memoria di forma. Il componente viene deformato mentre si trova nella fase martensitica e, quando viene riscaldato oltre una determinata temperatura, ritorna alla geometria programmata durante la produzione o durante un successivo trattamento.
Il secondo è la superelasticità. In questo caso il materiale può deformarsi sotto l’azione di un carico e recuperare quasi immediatamente la forma iniziale quando la forza viene rimossa, senza che sia necessario modificare intenzionalmente la temperatura.
In una normale lega metallica, una deformazione sufficientemente elevata lascia un cambiamento permanente. Nelle SMA, entro precisi limiti, la deformazione viene invece accompagnata da una trasformazione reversibile della struttura cristallina.
La review indica per il NiTi recuperi di deformazione nell’ordine dell’8-10% attraverso l’effetto memoria e valori che possono arrivare al 10-12% in condizioni di superelasticità. Il comportamento effettivo dipende però dalla composizione, dalla temperatura, dalla microstruttura e dal processo produttivo.
Il Nitinol rimane il materiale di riferimento
La lega più studiata è il nichel-titanio, conosciuta anche come NiTi o Nitinol.
Il nome deriva dai suoi principali componenti, nichel e titanio, e dal Naval Ordnance Laboratory statunitense, dove il materiale fu sviluppato. Il NiTi combina memoria di forma, superelasticità, resistenza alla corrosione e una compatibilità biologica che ne ha favorito l’impiego in campo medico.
Fili ortodontici, stent vascolari, guide per cateteri e diversi strumenti chirurgici sfruttano già le sue proprietà. La produzione additiva aggiunge la possibilità di costruire strutture porose, reticoli, elementi sottili e componenti adattati alla geometria di uno specifico paziente.
Il problema è che il comportamento del Nitinol è estremamente sensibile alla composizione chimica. Piccole variazioni nel rapporto tra nichel e titanio possono spostare le temperature alle quali iniziano e terminano le trasformazioni tra martensite e austenite.
La stampa di una normale lega strutturale deve garantire forma, densità e resistenza. Nel caso del NiTi occorre controllare anche la risposta funzionale: il componente deve cambiare fase alla temperatura prevista, recuperare la deformazione desiderata e mantenere queste proprietà dopo numerosi cicli.
Perché la produzione additiva è importante
Le tecniche convenzionali, come fusione, laminazione e metallurgia delle polveri, permettono già di produrre leghe a memoria di forma. Presentano però limiti nella realizzazione di cavità interne, reticoli tridimensionali, zone con spessori variabili e componenti personalizzati.
La produzione additiva consente di progettare contemporaneamente la forma esterna, la struttura interna e, almeno in parte, la microstruttura del materiale.
Questo aspetto è importante perché nelle leghe a memoria di forma la prestazione non dipende soltanto dalla geometria visibile. Orientamento dei grani, precipitati, tensioni residue, porosità e distribuzione delle fasi influenzano la temperatura di trasformazione e la capacità del pezzo di recuperare la forma.
Durante la fusione laser a letto di polvere il materiale può raffreddarsi a velocità che arrivano a circa un milione di kelvin al secondo. Una solidificazione così rapida produce grani più fini e strutture lontane dall’equilibrio che possono essere sfruttate per regolare le proprietà del componente. Allo stesso tempo, genera forti gradienti termici e tensioni interne che devono essere controllati.
LPBF: il processo più studiato per il NiTi
La tecnologia che concentra la maggior parte delle ricerche è la Laser Powder Bed Fusion, indicata con la sigla LPBF e spesso chiamata anche Selective Laser Melting o SLM.
Uno strato sottile di polvere metallica viene distribuito sulla piattaforma. Un laser fonde le aree corrispondenti alla sezione del modello digitale; la piattaforma si abbassa, viene steso un nuovo strato e il ciclo continua fino alla costruzione del componente.
La precisione del processo permette di realizzare reticoli, celle auxetiche, strutture porose e geometrie graduate difficili da ottenere con lavorazioni tradizionali.
Con parametri correttamente regolati, i componenti SMA prodotti mediante LPBF possono raggiungere densità comprese tra il 98 e il 99,9% del valore teorico. Per il NiTi sono riportate deformazioni recuperabili generalmente comprese tra il 6 e l’8%, valori vicini a quelli di alcuni prodotti ottenuti con processi convenzionali.
La macchina non deve però limitarsi a fondere la polvere. Potenza del laser, velocità di scansione, distanza tra le tracce, spessore dello strato, orientamento del pezzo e strategia di esposizione modificano direttamente il risultato.
Un apporto energetico insufficiente lascia particelle non fuse e cavità tra le tracce. Un’energia eccessiva aumenta invece il rischio di evaporazione di alcuni elementi, formazione di spruzzi, instabilità del bagno fuso e alterazione della composizione chimica.
Nel NiTi può verificarsi una perdita selettiva di nichel. Nelle leghe rame-zinco-alluminio l’elemento più sensibile è lo zinco. Anche una variazione apparentemente piccola può modificare la temperatura alla quale il materiale cambia forma.
La definizione della finestra di processo è quindi più delicata rispetto a quella di molte leghe utilizzate soltanto per funzioni strutturali.
La microstruttura diventa parte del progetto
Nella stampa 3D delle leghe a memoria di forma, il percorso del laser può essere utilizzato come uno strumento di progettazione del materiale.
Variando localmente la quantità di energia o la strategia di scansione è possibile produrre zone con differenti orientamenti cristallografici, livelli di tensione e temperature di trasformazione.
Un componente potrebbe quindi non reagire in modo uniforme. Una parte potrebbe iniziare a muoversi a una temperatura, mentre una seconda zona potrebbe attivarsi in un momento successivo.
Questo principio apre la strada a elementi capaci di piegarsi secondo una sequenza stabilita, modificare la propria rigidezza o svolgere più funzioni senza motori e cinematismi tradizionali.
La programmazione del movimento, tuttavia, non dipende esclusivamente dal file CAD. Deve essere costruita attraverso la combinazione di geometria, composizione, processo laser e trattamenti termici.
È questa integrazione a distinguere una struttura 4D da un semplice oggetto stampato con una forma complessa.
Effetto memoria e superelasticità non sono la stessa cosa
I due fenomeni vengono spesso utilizzati come sinonimi, ma rispondono a condizioni differenti.
Nell’effetto memoria, il cambiamento è provocato da un ciclo termico. Il componente deformato recupera la configurazione iniziale quando viene riscaldato oltre la temperatura finale di trasformazione in austenite.
La superelasticità è invece attivata meccanicamente. Il carico trasforma temporaneamente l’austenite in martensite; quando il carico viene rimosso, il materiale ritorna alla fase iniziale e recupera la deformazione.
Il primo comportamento è adatto ad attuatori, sistemi di apertura, interruttori termici e strutture dispiegabili. Il secondo può essere sfruttato in elementi sottoposti a movimenti ripetuti, assorbimento degli urti, smorzamento delle vibrazioni e dispositivi medici flessibili.
La temperatura di funzionamento deve essere progettata in relazione all’ambiente. Un impianto inserito nel corpo umano, per esempio, deve reagire in modo prevedibile attorno alla temperatura fisiologica. Un attuatore aerospaziale potrebbe invece essere chiamato a funzionare in intervalli completamente differenti.
Non esiste soltanto il nichel-titanio
Il NiTi rimane il sistema più maturo, ma la ricerca esamina anche leghe basate su rame e ferro.
Tra quelle al rame rientrano Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Mn e Cu-Al-Be. Questi materiali possono offrire costi inferiori, buona conduttività termica, tempi di risposta contenuti ed elevate capacità di dissipare energia.
Presentano però problemi di fragilità, crescita dei grani, stabilità delle fasi e resistenza alla corrosione. La presenza di rame limita inoltre l’impiego negli impianti destinati a un contatto prolungato con i tessuti, a meno di introdurre rivestimenti, incapsulamenti o altre misure di protezione.
Le leghe al ferro, come Fe-Mn-Si e Fe-Mn-Al-Ni, sono interessanti per strutture civili, giunti, sistemi di rinforzo e componenti di dimensioni maggiori. Il loro costo può essere più vicino a quello degli acciai industriali, ma la risposta funzionale è generalmente meno sviluppata rispetto al Nitinol.
La produzione additiva permette di intervenire anche su queste famiglie, ma ciascuna richiede parametri, trattamenti e controlli specifici. Non esiste una procedura universale valida per tutte le SMA.
Le possibilità delle leghe a base di rame
Le leghe di rame rappresentano una delle direzioni più interessanti per ridurre la dipendenza dal NiTi.
In uno degli studi esaminati, una lega Cu-Al-Mn-Ti prodotta mediante fusione laser ha mostrato una resistenza a trazione di circa 541 MPa e un allungamento del 7,63%. Il rapido raffreddamento ha raffinato i grani e limitato la formazione di alcune fasi fragili tipiche dei processi di fusione convenzionali.
Altri lavori hanno prodotto leghe Cu-Al-Mn con superelasticità a temperatura ambiente oppure metamateriali nei quali la deformazione recuperabile deriva dalla combinazione tra proprietà della lega e geometria del reticolo.
In questi casi è importante distinguere la deformazione recuperata dal materiale da quella ottenuta grazie alla struttura. Una cella sottile o una geometria auxetica può amplificare il movimento complessivo anche quando la deformazione locale della lega rimane più contenuta.
Il risultato viene quindi progettato su due livelli: comportamento metallurgico e architettura del componente.
EBM: meno tensioni residue, ma minore precisione
La produzione mediante fascio di elettroni, EBM, costituisce una possibile alternativa alla fusione laser.
La tecnologia fu sviluppata presso l’Università di Göteborg e commercializzata da Arcam, società acquisita nel 2016 da GE Additive. Il processo opera in una camera sotto vuoto e utilizza un fascio di elettroni per preriscaldare e fondere la polvere.
Il preriscaldamento del letto può raggiungere temperature molto elevate, fino a circa 1.000 °C. Questa condizione riduce i gradienti termici e le tensioni residue accumulate durante la costruzione.
Secondo il confronto raccolto nella review, i componenti NiTi prodotti mediante LPBF possono presentare tensioni residue nell’ordine di 200-800 MPa, mentre per l’EBM viene indicato un intervallo di circa 50-300 MPa. I valori reali dipendono comunque dalla geometria, dal materiale e dai parametri impiegati.
Il vuoto limita inoltre la contaminazione con ossigeno e carbonio, una caratteristica utile per le leghe sensibili alle impurità.
In cambio, l’EBM offre normalmente una risoluzione inferiore e superfici più ruvide rispetto alla LPBF. Le particelle utilizzate sono più grandi e le geometrie molto sottili risultano più difficili da realizzare.
La tecnologia può quindi essere adatta quando purezza, densità e riduzione delle tensioni hanno maggiore importanza della definizione dei dettagli.
WAAM per componenti di dimensioni maggiori
Per costruire elementi di grandi dimensioni, la review considera anche la Wire Arc Additive Manufacturing, o WAAM.
Il materiale viene fornito sotto forma di filo e fuso mediante un arco elettrico, seguendo un principio vicino alla saldatura automatizzata. La velocità di deposito è superiore a quella delle tecnologie a letto di polvere e il costo del materiale può essere inferiore.
La WAAM non è adatta a reticoli minuti o impianti con dettagli molto sottili, ma può essere impiegata per attuatori, elementi strutturali, semilavorati e componenti che verranno successivamente lavorati alle macchine utensili.
La difficoltà principale riguarda la gestione del calore. Ogni nuovo cordone riscalda gli strati precedenti e produce una storia termica diversa lungo l’altezza del pezzo.
Nelle leghe a memoria di forma questo può causare segregazioni, grani colonnari, risposte non uniformi e cricche a caldo. Per limitarle vengono studiate traiettorie oscillanti, controllo della temperatura tra gli strati e martellatura meccanica interstrato.
Il processo possiede quindi un potenziale produttivo, ma richiede ancora competenze metallurgiche e di saldatura molto specifiche.
Reticoli capaci di adattare la propria rigidezza
Uno degli impieghi più coerenti con la produzione additiva è la costruzione di reticoli in NiTi.
Modificando forma, dimensione e orientamento delle celle è possibile regolare rigidezza, peso, assorbimento di energia e modalità di deformazione.
Una struttura destinata a sostituire una parte ossea può essere progettata con una rigidezza più vicina a quella dell’osso rispetto a un blocco metallico pieno. Questo riduce il rischio che l’impianto assorba quasi tutto il carico, lasciando il tessuto circostante privo delle sollecitazioni necessarie al suo mantenimento.
La porosità può inoltre favorire la crescita del tessuto all’interno dell’impianto. Il NiTi aggiunge la possibilità di adattare la forma, esercitare una forza controllata o recuperare una deformazione.
La stessa logica può essere applicata a strutture per assorbire urti, smorzare vibrazioni o cambiare configurazione in risposta alla temperatura.
Impianti che si adattano durante l’uso
In campo biomedicale, le leghe a memoria di forma stampate in 3D vengono studiate per placche di fissaggio, viti, stent, strutture ortopediche e scaffold porosi.
Una placca potrebbe essere inserita in una configurazione compatta e successivamente adattarsi alla superficie dell’osso. Uno stent potrebbe essere introdotto in forma compressa ed espandersi nella posizione prevista. Un elemento di fissaggio potrebbe applicare una forza progressiva durante la guarigione.
La produzione additiva permette di personalizzare il componente sulla base delle immagini diagnostiche del paziente, ma introduce anche nuove difficoltà.
Le superfici LPBF presentano particelle parzialmente fuse e irregolarità. In alcuni impianti una certa rugosità può favorire l’adesione delle cellule; in uno stent vascolare, al contrario, una superficie irregolare può disturbare il flusso sanguigno e aumentare il rischio di trombosi.
Trattamenti come elettrolucidatura, attacco chimico, sabbiatura e lucidatura laser diventano quindi parte del processo produttivo. La review riporta casi nei quali la rugosità è stata ridotta da circa 7,17 a 0,34 micrometri mediante trattamenti superficiali.
La finitura deve però essere controllata: rimuovere troppo materiale può assottigliare i montanti di un reticolo e modificarne resistenza e temperatura di attivazione.
Aerospazio, robotica e sistemi dispiegabili
Le leghe a memoria di forma possono svolgere il ruolo di attuatori senza richiedere motori convenzionali.
Nel settore aerospaziale vengono studiate per antenne e strutture dispiegabili, superfici capaci di modificare il proprio profilo, sistemi di smorzamento e dispositivi di apertura attivati termicamente.
Un componente può essere trasportato in una configurazione compatta e assumere la forma operativa dopo il raggiungimento di una determinata temperatura. Il vantaggio potenziale è la riduzione del numero di cerniere, ingranaggi, motori e collegamenti.
Nella robotica, fili e strutture SMA possono produrre movimenti silenziosi e compatti. La stampa 3D permette di integrare il meccanismo di attuazione all’interno del componente anziché aggiungerlo in un secondo momento.
Il limite principale è rappresentato dall’efficienza termica. Un attuatore deve essere riscaldato per cambiare forma e raffreddato prima di ripetere il ciclo. La velocità di risposta dipende quindi dalle dimensioni, dalla geometria e dalla capacità di disperdere il calore.
Per movimenti rapidi e continui, un motore elettrico rimane spesso più efficiente. Le SMA diventano interessanti quando servono compattezza, basso peso, semplicità meccanica o movimenti occasionali.
Il post-processing non è un passaggio facoltativo
Un componente SMA appena estratto dalla macchina possiede raramente tutte le proprietà richieste per l’impiego finale.
Le tensioni residue, la porosità e la distribuzione non uniforme delle fasi possono ridurre la durata a fatica e rendere instabile il comportamento memoria.
Per questo vengono utilizzati trattamenti termici di soluzione, invecchiamento, ricottura e, in alcuni casi, pressatura isostatica a caldo.
Il trattamento termico può rilassare le tensioni, modificare la dimensione dei precipitati e stabilire le temperature di trasformazione. La pressatura isostatica a caldo riduce le cavità interne applicando contemporaneamente temperatura e pressione.
I dati raccolti nello studio indicano per alcune leghe prodotte mediante additive manufacturing una durata iniziale nell’ordine di 10.000-100.000 cicli. Dopo opportuni trattamenti è possibile superare il milione di cicli, mentre alcuni prodotti lavorati convenzionalmente possono raggiungere valori superiori.
Questo confronto mostra perché la densità elevata non sia sufficiente. Un pezzo quasi privo di porosità può comunque possedere tensioni, superfici e microstrutture inadatte a un utilizzo ciclico.
Il problema delle polveri e delle impurità
La qualità della polvere influenza tutte le fasi del processo.
Per la LPBF del NiTi vengono generalmente impiegate polveri con particelle nell’intervallo di circa 15-45 micrometri. La distribuzione dimensionale deve permettere uno stendimento uniforme e una buona fluidità.
Ossigeno e carbonio possono reagire con titanio e nichel formando ossidi, carburi e precipitati indesiderati. Queste fasi alterano la composizione della matrice e spostano le temperature di trasformazione.
Le particelle più piccole sono particolarmente esposte all’ossidazione perché possiedono una superficie elevata rispetto al loro volume. Anche il riciclo delle polveri deve essere controllato, verificando l’aumento dell’ossigeno e le modifiche della distribuzione granulometrica.
Per un normale componente meccanico una variazione tra due lotti potrebbe produrre una differenza limitata nella resistenza. Per una lega a memoria potrebbe cambiare il momento nel quale il pezzo inizia a muoversi.
La certificazione del materiale deve quindi comprendere non soltanto composizione nominale e proprietà meccaniche, ma anche comportamento termomeccanico.
La stampa 4D metallica non elimina la necessità di controllo
Definire “programmabile” un materiale non significa che il suo movimento sia automaticamente preciso.
La risposta dipende dalla temperatura raggiunta, dalla velocità di riscaldamento, dal carico applicato, dal numero di cicli precedenti e dalle condizioni di vincolo.
Un attuatore NiTi può perdere progressivamente parte della corsa se viene sottoposto a temperature o deformazioni superiori ai limiti previsti. Una struttura reticolare può accumulare danni nei punti di collegamento. Un impianto può presentare comportamenti diversi se la finitura superficiale modifica la sezione dei montanti.
Per passare dal laboratorio alla produzione devono quindi essere definite procedure di addestramento del materiale, prove di fatica, intervalli termici e metodi di controllo non distruttivo.
La quarta dimensione non viene aggiunta al termine della stampa: deve essere qualificata come qualsiasi altra prestazione del prodotto.
Monitoraggio in macchina e simulazione
Una possibile direzione di sviluppo riguarda il monitoraggio del bagno fuso e della temperatura durante la costruzione.
Telecamere, pirometri e sensori possono individuare variazioni di emissione, instabilità e difetti di fusione. I dati possono essere confrontati con modelli termici per stimare la microstruttura e correggere l’apporto energetico.
Per le SMA il controllo in tempo reale potrebbe servire non soltanto a prevenire pori e cricche, ma anche a mantenere la composizione e la storia termica entro intervalli compatibili con la trasformazione martensitica desiderata.
La simulazione deve collegare più livelli: percorso del laser, distribuzione della temperatura, solidificazione, orientamento dei grani, trasformazioni di fase e movimento finale del componente.
Si tratta di un problema più complesso rispetto alla semplice previsione delle deformazioni geometriche dopo la stampa.
I limiti verso la produzione industriale
Le dimostrazioni di laboratorio hanno già mostrato reticoli superelastici, impianti adattivi e componenti capaci di recuperare deformazioni rilevanti.
La produzione industriale richiede però che la stessa risposta venga ottenuta su macchine differenti, con nuovi lotti di polvere e su geometrie più grandi.
Tra i problemi principali rimangono:
- controllo della composizione durante la fusione;
- riduzione di pori, cricche e tensioni residue;
- stabilità dopo numerosi cicli;
- definizione dei trattamenti termici;
- finitura di reticoli e canali interni;
- verifica non distruttiva delle strutture;
- ripetibilità delle temperature di trasformazione;
- disponibilità di normative e procedure di qualifica.
Lo studio sottolinea la necessità di integrare monitoraggio in situ, modelli numerici, caratterizzazione microstrutturale e controlli di qualità. Senza questa catena, un componente può rispettare le dimensioni del progetto ma non il comportamento funzionale previsto.
Un nuovo modo di progettare i componenti metallici
Il contributo più importante della produzione additiva non consiste soltanto nella possibilità di ottenere una lega NiTi con una forma difficile da lavorare.
La stampa 3D permette di considerare geometria e materiale come parti dello stesso progetto. La forma della cella, il percorso del laser, l’orientamento dei grani e il trattamento termico possono essere coordinati per stabilire come il componente reagirà durante l’uso.
Un reticolo può essere contemporaneamente struttura portante, ammortizzatore e attuatore. Un impianto può combinare porosità per la crescita ossea e superelasticità per seguire i movimenti del corpo. Un elemento aerospaziale può essere trasportato ripiegato e dispiegarsi senza un motore dedicato.
Sono possibilità concrete, ma non ancora equivalenti a una produzione standardizzata su larga scala.
La ricerca sulle leghe a memoria di forma stampate in 3D si trova in una fase nella quale le prestazioni del materiale sono state dimostrate, mentre ripetibilità, costi, durata e qualifica devono ancora essere consolidati.
Il passaggio dalla stampa 3D alla stampa 4D metallica non richiede quindi una nuova etichetta commerciale, ma un controllo più profondo della metallurgia. Il componente non deve soltanto essere costruito correttamente: deve continuare a trasformarsi nel modo previsto per tutta la propria vita operativa.
