Uno studio sulla resistenza delle strutture prodotte con stampa 3D metallica
Un gruppo di ricercatori statunitensi ha sottoposto cilindri metallici stampati in 3D a prove di implosione in acqua, con l’obiettivo di comprendere come le strutture prodotte mediante fabbricazione additiva reagiscano alla pressione idrostatica degli ambienti sottomarini.
Lo studio ha esaminato configurazioni ispirate agli scafi resistenti, alle custodie per sensori, alle tubazioni e ad altri componenti cilindrici destinati a operare in profondità. L’attenzione non si è concentrata soltanto sulla pressione necessaria per provocare il collasso, ma anche sulla velocità della deformazione, sulla frammentazione del metallo e sull’onda di pressione generata nell’acqua durante l’implosione.
La ricerca è stata condotta da T. Winnard, N. Grantham-Coogan, C. Tilton, R. Hebert, Arun Shukla e Hugo Matos. Gli autori appartengono al Dynamic Photo-Mechanics Laboratory della University of Rhode Island, al US Naval Undersea Warfare Center Division Newport e al Department of Materials Science and Engineering della University of Connecticut.
Il progetto ha ricevuto il sostegno del National Institute of Undersea Vehicle Technology, organizzazione statunitense che finanzia attività di ricerca relative ai veicoli e ai sistemi destinati agli ambienti sottomarini.
Perché la pressione esterna rappresenta un rischio per gli scafi
La pressione dell’acqua aumenta con la profondità. Ogni dieci metri di discesa aggiungono approssimativamente un’atmosfera alla pressione esercitata su una struttura immersa.
A una profondità di circa 457 metri, un componente sottomarino è sottoposto a una pressione idrostatica prossima a 4,5 MPa. Questa pressione agisce su tutte le superfici esterne e tende a comprimere lo scafo verso il suo volume interno.
Una struttura cilindrica può resistere per un certo intervallo senza mostrare deformazioni evidenti. Quando la pressione supera la soglia critica, una piccola imperfezione geometrica, una variazione nello spessore o un difetto del materiale possono innescare un’instabilità.
Il collasso può svilupparsi in pochi millisecondi. Le pareti si piegano verso l’interno, l’acqua accelera per occupare il volume che si sta chiudendo e il contatto tra le superfici deformate genera impulsi di pressione. L’energia rilasciata può danneggiare sensori, tubazioni, veicoli o strutture collocate nelle vicinanze.
La progettazione di un componente subacqueo non deve quindi considerare soltanto la capacità di evitare l’implosione. Nei sistemi complessi è importante anche limitare le conseguenze di un eventuale collasso.
Le possibili applicazioni della produzione additiva
La stampa 3D metallica consente di costruire pareti, nervature, camere interne e strutture a doppio involucro all’interno di un solo ciclo produttivo.
Con le tecniche convenzionali, una geometria simile potrebbe richiedere la lavorazione di più componenti, seguita da saldatura, assemblaggio o brasatura. Ogni giunzione rappresenta un punto che deve essere prodotto e ispezionato con attenzione.
La fabbricazione additiva permette invece di integrare elementi di irrigidimento direttamente nel cilindro. Può inoltre realizzare canali, reticoli e forme topologicamente ottimizzate che sarebbero difficili da ottenere mediante estrusione, fusione o lavorazione meccanica.
Questa libertà geometrica non garantisce però una resistenza superiore. Le strutture sottili stampate in metallo possono presentare porosità, tensioni residue, deformazioni termiche, superfici irregolari e differenze tra le proprietà misurate lungo direzioni diverse.
Lo studio coordinato dalla University of Rhode Island è stato progettato proprio per valutare il rapporto tra libertà geometrica e variabilità produttiva.
L’acciaio inossidabile 17-4 PH scelto per i cilindri
I campioni sono stati prodotti in acciaio inossidabile 17-4 PH, una lega indurente per precipitazione impiegata quando sono richieste resistenza meccanica, tenacità e protezione dalla corrosione.
La sigla PH indica il processo di precipitation hardening, cioè un trattamento termico che favorisce la formazione di particelle capaci di aumentare la resistenza della lega.
Il 17-4 PH viene utilizzato nei settori aerospaziale, energetico, chimico e marino. La sua composizione e la sua saldabilità lo rendono compatibile con diversi processi di fabbricazione additiva.
Le proprietà di un 17-4 PH stampato non coincidono necessariamente con quelle di un prodotto laminato, forgiato o lavorato con metodi tradizionali. La microstruttura dipende dalla composizione della polvere, dalla velocità di raffreddamento, dai parametri del laser, dall’orientamento del pezzo e dai trattamenti eseguiti dopo la stampa.
Questa differenza ha avuto un ruolo importante nei risultati dello studio. Le simulazioni iniziali utilizzavano proprietà meccaniche che non rappresentavano con sufficiente precisione il materiale realmente prodotto.
La stampa con Laser Powder Bed Fusion
I cilindri sono stati fabbricati mediante Laser Powder Bed Fusion, abbreviata in LPBF, utilizzando una stampante ProX DMP 300 di 3D Systems.
Nel processo LPBF, un sistema distribuisce uno strato sottile di polvere metallica sulla piattaforma di costruzione. Un laser fonde le aree corrispondenti alla sezione digitale del componente. La piattaforma si abbassa, viene applicato un nuovo strato di polvere e il ciclo continua fino al completamento del pezzo.
La società 3D Systems produce sistemi di manifattura additiva per metalli, polimeri e altri materiali. La macchina utilizzata nello studio appartiene alla sua gamma di soluzioni industriali per la fusione laser di polveri metalliche.
La costruzione di cilindri sottili e allungati ha però sottoposto il sistema a condizioni impegnative. I pezzi dovevano essere stampati verticalmente, attraversando un numero elevato di strati. Una piccola deviazione ripetuta durante la costruzione poteva generare una linea di discontinuità lungo la circonferenza.
Gli autori hanno precisato che i difetti osservati non devono essere considerati un limite inevitabile del processo LPBF. La combinazione tra dimensioni dei campioni, rapporto tra altezza e spessore e caratteristiche della macchina utilizzata rendeva la produzione particolarmente sensibile.
Le tre configurazioni messe a confronto
I ricercatori hanno progettato tre principali tipi di cilindro.
La prima configurazione era costituita da un singolo involucro, indicato con la sigla SH. La sua geometria era simile a quella di un tubo metallico convenzionale ed è stata utilizzata come riferimento.
La seconda configurazione, denominata ST, comprendeva un singolo involucro dotato di irrigidimenti interni. Le nervature erano integrate nella parete e avevano una sezione trapezoidale, scelta per ridurre gli sbalzi durante la stampa ed evitare strutture di supporto difficili da rimuovere.
La terza configurazione era uno scafo doppio, indicato con la sigla DH. Comprendeva un cilindro interno e uno esterno collegati da nervature disposte lungo la circonferenza. Tra le due pareti rimaneva una cavità anulare che poteva essere lasciata vuota oppure riempita con materiali differenti.
Le geometrie sono state progettate per avere un volume esterno confrontabile e una pressione teorica di collasso vicina a 3,45 MPa, equivalenti a circa 500 psi.
Le simulazioni realizzate con Abaqus
Prima della fabbricazione, i ricercatori hanno costruito modelli numerici agli elementi finiti utilizzando Abaqus CAE 2022, software sviluppato da Dassault Systèmes attraverso il marchio SIMULIA.
Le simulazioni servivano a prevedere la pressione di collasso e il modo in cui ogni struttura avrebbe iniziato a deformarsi.
Per il cilindro a parete singola, il modello prevedeva un collasso a circa 3,45 MPa. La configurazione con irrigidimenti raggiungeva una pressione teorica di circa 3,65 MPa, mentre il modello a doppio involucro vuoto arrivava a circa 3,38 MPa.
Questi valori non rappresentavano una classifica assoluta della resistenza. Le geometrie erano state dimensionate per raggiungere pressioni simili, in modo da confrontare il comportamento successivo all’inizio del collasso.
L’obiettivo era comprendere se nervature, doppie pareti e riempimenti potessero controllare la velocità dell’implosione e ridurre l’impulso trasmesso all’acqua.
I materiali utilizzati per riempire il doppio scafo
I cilindri a doppio involucro sono stati provati in tre configurazioni: cavità vuota, riempimento morbido e riempimento rigido.
Per il riempimento morbido è stata utilizzata la schiuma poliuretanica Loctite Tite Foam Window and Door, commercializzata da Henkel Corporation. Il prodotto viene impiegato per sigillare fessure e giunti in applicazioni edilizie.
La schiuma è stata scelta per il peso contenuto, la facilità di applicazione e la capacità di riempire la cavità tra le due pareti. Le sue proprietà a compressione sono state misurate secondo la procedura ASTM D3574.
Il riempimento rigido era una poliurea poliaspartica alifatica MPC-290, prodotta da MPC Coatings, indicata nello studio anche con la denominazione societaria Master Protective Coatings Inc.
Il prodotto MPC-290 è formato da una resina e da un indurente che, una volta miscelati, generano un materiale solido e denso. La sua resistenza a compressione e trazione lo rendeva adatto a studiare l’effetto di un collegamento più rigido tra lo scafo interno e quello esterno.
I ricercatori non cercavano soltanto un materiale capace di aumentare la pressione di collasso. Volevano verificare se il riempimento potesse assorbire energia e attenuare l’onda generata dalla chiusura delle pareti.
La preparazione dei campioni prima delle prove
Le estremità dei cilindri sono state chiuse con tappi in alluminio dotati di guarnizioni O-ring, necessarie per impedire l’ingresso dell’acqua.
Poiché la superficie prodotta con LPBF non era perfettamente liscia, all’interfaccia tra cilindro e tappo è stata applicata una resina epossidica bicomponente a presa rapida fornita da Royal Adhesives and Sealants.
Questa azienda è stata successivamente integrata in H.B. Fuller, ma lo studio identifica il prodotto attraverso il nome del fornitore utilizzato durante le prove.
La superficie esterna dei campioni è stata dipinta di bianco e ricoperta da una distribuzione casuale di piccoli punti neri. Il motivo ad alto contrasto era necessario per applicare la tecnica della correlazione digitale delle immagini tridimensionale.
Le prove nella Deep-Sea Implosion Facility
Gli esperimenti sono stati condotti nella Deep-Sea Implosion Facility, parte del Dynamic Photo-Mechanics Laboratory della University of Rhode Island.
L’impianto comprende un recipiente a pressione semisferico con diametro di circa 2,1 metri. Può riprodurre pressioni equivalenti a quelle presenti fino a una profondità di circa 687 metri, corrispondenti a 6,89 MPa.
Il serbatoio dispone di otto finestre distribuite lungo la circonferenza. Queste aperture permettono di illuminare il campione e osservare l’implosione mediante telecamere ad alta velocità.
Prima di ogni test, il recipiente veniva riempito con acqua filtrata per migliorare la visibilità. Nella parte superiore veniva mantenuta una piccola sacca d’aria, successivamente pressurizzata mediante azoto compresso.
L’aumento della pressione dell’azoto veniva trasmesso all’acqua e quindi al cilindro. La procedura proseguiva fino al collasso del campione.
Sensori e telecamere per osservare eventi di pochi millisecondi
La pressione dinamica nell’acqua è stata misurata con quattro trasduttori piezoelettrici PCB 138A05, prodotti da PCB Piezotronics.
Due sensori erano collocati vicino al campione, uno era posizionato nel campo più distante per misurare il decadimento dell’onda e uno era installato vicino alla parete del recipiente per osservare le riflessioni.
I segnali sono stati acquisiti con un sistema SIRIUSi-XHS-8xLV di Dewesoft, operante a una frequenza di campionamento di 2 MHz. Una frequenza così elevata era necessaria perché le fasi principali dell’implosione si completavano in pochi millisecondi.
Le immagini stereoscopiche sono state registrate con due telecamere Fastcam SA1 di Photron, configurate a 30.000 fotogrammi al secondo.
La disposizione stereoscopica ha permesso di osservare la superficie da due punti di vista e ricostruire la deformazione tridimensionale.
Come funziona la correlazione digitale delle immagini
La Digital Image Correlation, o DIC, è una tecnica ottica che misura gli spostamenti confrontando il motivo superficiale di un oggetto in immagini successive.
Il software divide la superficie in piccole aree e segue il movimento dei punti neri applicati sul fondo bianco. Da questi spostamenti può calcolare deformazioni, velocità e variazioni della geometria.
Con due telecamere calibrate, il sistema è in grado di ricostruire i movimenti fuori dal piano e produrre mappe tridimensionali della deformazione.
Nel caso dei cilindri, la DIC ha permesso di individuare il punto nel quale iniziava l’instabilità e di seguire la propagazione del collasso lungo la parete.
La tecnica offre un vantaggio rispetto ai sensori applicati direttamente sul campione: non modifica la struttura e può misurare un’intera area anziché pochi punti.
Gli errori dimensionali emersi dalla produzione
Le misurazioni effettuate dopo la stampa hanno mostrato che molte pareti erano più spesse rispetto ai valori previsti dal modello digitale.
Una delle cause era la sovrapposizione delle zone influenzate dal calore del laser. Quando i percorsi di fusione sono vicini, il materiale può consolidarsi oltre il limite geometrico programmato, aumentando lo spessore effettivo.
Per migliorare la precisione, i ricercatori hanno modificato velocità di scansione, distanza tra le tracce del laser e potenza. Le configurazioni irrigidite e a doppio scafo sono state quindi stampate in un secondo lotto.
I campioni sono stati suddivisi in un gruppo con pareti più spesse e uno con pareti più sottili. Questa variabilità ha impedito di confrontare tutti i risultati come se i pezzi fossero geometricamente identici.
Le pareti più spesse presentavano una maggiore rigidezza e tendevano a collassare a pressioni più elevate. Una parte del miglioramento non dipendeva quindi dalla geometria strutturale, ma dall’eccesso di materiale depositato.
Difetti tra gli strati e linee di discontinuità
Durante la produzione sono state osservate zone di debole adesione tra gli strati, spazi completamente aperti e linee di difetto estese lungo una parte della circonferenza.
Alcuni campioni presentavano difetti sufficientemente gravi da renderli inutilizzabili e non sono stati inseriti nelle prove finali.
Le discontinuità possono dipendere da potenza del laser, velocità di scansione, qualità della polvere, orientamento e stabilità del processo.
In una struttura soggetta a pressione esterna, una fessura o una zona non fusa può diventare il punto dal quale parte il collasso. Il problema è particolarmente importante nelle pareti sottili, perché un difetto occupa una parte maggiore della sezione resistente.
Gli autori hanno sottolineato che le macchine LPBF di grande formato e i sistemi con compensazione geometrica locale possono ridurre alcuni degli errori riscontrati.
La configurazione a parete singola ha prodotto i risultati più uniformi
I cilindri SH a parete singola hanno mostrato pressioni di collasso più consistenti rispetto alle geometrie dotate di nervature o doppia parete.
Il loro cedimento era governato soprattutto da un’instabilità globale della struttura. In questo tipo di collasso, l’intero cilindro cambia forma secondo una modalità legata alla geometria generale, allo spessore e al modulo elastico.
Le strutture irrigidite e a doppio scafo tendevano invece a sviluppare cedimenti localizzati. Il comportamento dipendeva maggiormente dai difetti, dalla plasticizzazione del materiale e dalle discontinuità prodotte durante la stampa.
L’aggiunta di caratteristiche geometriche non ha quindi generato automaticamente una risposta più prevedibile. Le nervature introducevano nuove zone nelle quali potevano concentrarsi tensioni e difetti.
Le simulazioni hanno sovrastimato alcune pressioni di collasso
Confrontando i risultati sperimentali con le simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che i modelli sovrastimavano alcune pressioni di collasso dei cilindri a parete singola del 21,6% e del 36,9%.
Dopo aver considerato lo spessore reale, il gruppo ha stimato che la rigidezza del materiale stampato fosse inferiore di circa il 28,9% rispetto al valore inizialmente inserito nelle simulazioni.
Questo risultato mostra perché non è sufficiente utilizzare le proprietà nominali di una lega nella progettazione di un componente prodotto mediante fabbricazione additiva.
Il progettista deve disporre di dati ottenuti con la stessa polvere, lo stesso orientamento, parametri compatibili e trattamenti termici equivalenti.
Un materiale con composizione chimica corretta può mostrare proprietà differenti se presenta porosità, microstruttura non uniforme o scarsa fusione tra gli strati.
Tre modalità principali di cedimento
L’analisi delle immagini e dei cilindri distrutti ha permesso di classificare i cedimenti in tre categorie.
La prima era un cedimento localizzato, nel quale la rottura iniziava in un punto specifico influenzato da un difetto o da una concentrazione delle tensioni.
La seconda era l’instabilità globale, caratterizzata dalla deformazione dell’intera sezione secondo un comportamento più vicino alle previsioni della teoria classica del buckling.
La terza combinava i due fenomeni: il danno iniziava in un punto locale e provocava poi il collasso complessivo della struttura.
I cilindri più sottili tendevano a mostrare cedimenti locali o combinati. Quelli con pareti più spesse erano meno sensibili ai piccoli difetti e collassavano con maggiore frequenza attraverso un’instabilità globale.
Questo non significa che aumentare lo spessore sia sempre la scelta migliore. Una parete più pesante riduce il vantaggio della fabbricazione additiva e può peggiorare il rapporto tra massa e volume utile.
Le nervature hanno modificato la dinamica dell’implosione
Le nervature interne hanno prolungato il tempo necessario al completo collasso, ma non hanno prodotto un comportamento semplice e uniforme.
Il cilindro a parete singola completava le fasi principali dell’implosione in circa 1,7 millisecondi. Le configurazioni irrigidite richiedevano tra 1,8 e 1,9 millisecondi, mentre il doppio scafo vuoto arrivava a circa 2,6 millisecondi.
Il rallentamento indica che gli elementi interni ostacolavano la deformazione e modificavano il percorso dell’energia.
Dopo il contatto tra le pareti, però, la rottura delle nervature poteva liberare ulteriore energia nell’acqua. I segnali di pressione mostravano picchi irregolari associati al collasso asimmetrico e alla frammentazione.
Le nervature hanno quindi offerto una certa resistenza, ma hanno anche reso più complessa la fase successiva al cedimento.
Che cosa accade nell’acqua durante l’implosione
Quando il cilindro inizia a collassare, l’acqua accelera verso il volume interno. Questa fase provoca una riduzione temporanea della pressione misurata dai sensori.
Quando le pareti opposte entrano in contatto, la loro velocità si riduce e una parte dell’energia viene trasferita al fluido sotto forma di un impulso di pressione.
Seguono ulteriori oscillazioni dovute al movimento dei frammenti, alla deformazione residua, alle riflessioni nel recipiente e alle variazioni locali del flusso.
La pericolosità dell’evento non dipende soltanto dal valore massimo del picco. È importante anche l’impulso, cioè l’integrale della pressione nel tempo.
Un’onda con un picco limitato ma una durata maggiore può trasferire una quantità significativa di energia a una struttura vicina.
Il riempimento rigido ha attenuato l’onda di pressione
Il risultato più significativo ha riguardato il doppio scafo riempito con la poliurea poliaspartica MPC-290 di MPC Coatings.
Rispetto al cilindro a parete singola, questa configurazione ha ridotto dell’84% il picco di pressione e del 73% l’impulso di sovrapressione.
Il riempimento rigido collegava le due pareti e contribuiva a dissipare energia durante la deformazione ad alta velocità. Il suo comportamento viscoelastico poteva aumentare la resistenza alla deformazione quando il carico veniva applicato in pochi millisecondi.
Il vantaggio aveva però un costo in termini di massa. La configurazione con poliurea pesava circa il 39% in più rispetto al campione a parete singola.
Il dato mostra che l’attenuazione di un’implosione non coincide necessariamente con l’ottimizzazione del peso. Il progetto deve bilanciare resistenza, volume interno, massa e conseguenze del cedimento.
La schiuma poliuretanica ha fornito un sostegno più leggero
La schiuma Loctite di Henkel Corporation ha riempito lo spazio tra le pareti con un aumento di massa inferiore rispetto alla poliurea.
La sua rigidezza era però più bassa e il collegamento tra lo scafo interno e quello esterno risultava meno efficace.
Il confronto ha confermato che l’attenuazione dell’onda cresceva con la rigidezza del materiale di riempimento. Un materiale morbido può comprimersi e assorbire energia, ma non impedisce alle pareti di avvicinarsi con la stessa efficacia di un riempimento più rigido.
La selezione del materiale dipende quindi dalla funzione del componente. Per una custodia destinata a proteggere sensori vicini potrebbe essere accettabile un aumento della massa, mentre un veicolo autonomo potrebbe richiedere una soluzione più leggera.
Le possibili applicazioni per veicoli e sistemi subacquei
Le strutture studiate non rappresentano scafi completi pronti per essere installati su un sommergibile. Sono campioni sperimentali progettati per isolare alcuni aspetti del collasso.
I risultati possono però essere utilizzati nello sviluppo di custodie per sensori, alloggiamenti per batterie, recipienti per l’elettronica, serbatoi, tubazioni e moduli esterni.
In un veicolo subacqueo, la perdita di una singola custodia può produrre un’onda capace di danneggiare componenti adiacenti. Una doppia parete con riempimento potrebbe limitare questa propagazione.
La stampa 3D può inoltre integrare supporti, canali e interfacce direttamente nel componente, riducendo il numero di parti assemblate.
Ogni applicazione richiederebbe comunque prove specifiche, perché il comportamento dipende dalle dimensioni, dalla forma, dalla profondità operativa e dalla distanza dagli altri elementi.
I trattamenti successivi alla stampa
Gli autori indicano l’Hot Isostatic Pressing, abbreviato in HIP, come una delle tecniche da studiare nelle fasi successive.
Durante il trattamento HIP, il componente viene sottoposto contemporaneamente a temperatura elevata e pressione uniforme. Il processo può ridurre porosità e difetti interni, migliorando la densità e la resistenza a fatica.
Un trattamento termico può inoltre modificare la microstruttura dell’acciaio 17-4 PH e aumentarne la resistenza.
Questi processi possono però provocare deformazioni dimensionali e richiedono ulteriori operazioni di finitura. Per uno scafo sottile, anche una piccola ovalizzazione può ridurre la pressione di collasso.
Sarà quindi necessario valutare i vantaggi della densificazione insieme agli effetti sulla geometria.
L’importanza dei controlli non distruttivi
I difetti osservati dimostrano che le sole ispezioni visive non sono sufficienti per qualificare una struttura destinata all’alta pressione esterna.
Tecniche come tomografia computerizzata a raggi X, ultrasuoni, radiografia e scansione dimensionale possono individuare pori, fessure, mancanza di fusione e variazioni dello spessore.
La tomografia offre una ricostruzione tridimensionale dell’interno, ma può diventare complessa e costosa per componenti metallici di grandi dimensioni.
Per la produzione industriale sarà necessario definire criteri di accettazione legati alla dimensione e alla posizione dei difetti. Una porosità lontana dalle zone critiche può essere tollerabile, mentre una linea non fusa lungo la circonferenza può compromettere l’intero pezzo.
Una dimostrazione delle opportunità e dei limiti della stampa metallica
Lo studio non conclude che gli scafi stampati in 3D siano già pronti a sostituire le strutture convenzionali.
I risultati mostrano che la fabbricazione additiva può produrre involucri metallici con nervature integrate, doppie pareti e cavità riempibili. Queste caratteristiche possono essere sfruttate per modificare la dinamica del collasso e attenuare l’onda trasmessa all’ambiente.
Allo stesso tempo, la ricerca mette in evidenza la sensibilità delle pareti sottili alla qualità di stampa. Variazioni nello spessore, proprietà meccaniche inferiori alle attese e difetti tra gli strati possono annullare i benefici della geometria.
Il contributo principale del lavoro della University of Rhode Island, della University of Connecticut e del US Naval Undersea Warfare Center Division Newport consiste nell’aver misurato l’intero evento di implosione con strumenti ad alta velocità.
Le prove dimostrano che un componente può essere progettato non soltanto per resistere più a lungo, ma anche per collassare in modo meno dannoso. La configurazione più efficace nel ridurre l’impulso di pressione era però anche più pesante.
Le prossime attività dovranno studiare trattamenti HIP, ottimizzazione topologica, macchine LPBF di grande formato, controlli non distruttivi e modelli numerici basati sulle proprietà reali del materiale stampato.
Prima di arrivare a un impiego su veicoli subacquei, queste strutture dovranno essere sottoposte a prove di fatica, corrosione, permanenza prolungata in acqua e cicli ripetuti di pressurizzazione. Sarà inoltre necessario dimostrare che il processo produttivo può fornire componenti con geometria e qualità ripetibili.
