Indagine sul cedimento di un camiciotto di combustione stampato in 3D
Un gruppo di ingegneri del NASA Marshall Space Flight Center ha analizzato il cedimento avvenuto durante un test di accensione a caldo di un camiciotto di combustione realizzato in GRCop-42 tramite processo di Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Questo studio, pubblicato su Engineering Failure Analysis, mette in luce come le interruzioni di stampa, se non gestite con rigore, possano compromettere l’integrità dei componenti destinati a motori a propellente liquido.
Contesto e materiali coinvolti
Il GRCop-42 è una lega di rame-cromo-niobio sviluppata al NASA Glenn Research Center come alternativa per applicazioni ad altissimo flusso termico, quali camere di combustione e ugelli di motori spaziali. Rispetto alla precedente GRCop-84, offre conduzione termica superiore e velocità di deposizione più elevate; le polveri destinate al processo L-PBF vengono fornite da aziende specializzate come AP&C (GE Additive) e Oerlikon.
Procedura di stampa e post-processing
Il componente è stato costruito a strati con polvere GRCop-42 in una stampante industriale L-PBF (ad esempio una macchina della EOS o di Renishaw) con parametri ottimizzati per garantire densità superiori al 99 %. Dopo la stampa, il camiciotto ha subito processi di ricottura e lucidatura interna per migliorare la finitura dei canali di raffreddamento integrati.
Descrizione del guasto e analisi metallografica
Durante il test di “hot-fire” il camiciotto ha subito una separazione circonferenziale esatta sulla linea di interruzione del processo di stampa, detta “witness line”. Le sezioni esaminate al microscopio metallografico hanno rivelato un contenuto di porosità tre ordini di grandezza superiore ai valori tipici per il GRCop-42, concentrato nelle zone in prossimità di quelle interruzioni. Questa eccessiva presenza di vuoti microscopici ha ridotto la resistenza a trazione e l’allungamento a rottura, causando la perdita di tenuta e l’immediato cedimento strutturale.
Prove comparative e root cause
Per verificare se l’arresto e la ripartenza del processo di fusione producessero di per sé un indebolimento, sono stati realizzati dei provini di prova simulando le interruzioni di stampa e le relative procedure di riavvio (in cui lo strato di ristampa viene rilucidato più volte). Su questi provini non si sono riscontrate riduzioni nelle caratteristiche meccaniche o nella vita a fatica, confermando che un corretto protocollo di riavvio non compromette intrinsecamente il GRCop-42. Il cedimento del camiciotto, dunque, è stato attribuito a una concatenazione di fattori: porosità localizzata, condizioni di montaggio, sollecitazioni termiche elevate e vibrazioni durante il test.
Lezioni apprese e controllo di processo
L’analisi evidenzia l’importanza di procedure di stampa ripetibili e di monitoraggio delle interruzioni. In ambito aerospaziale, dove ogni componente deve sostenere sollecitazioni estreme, è fondamentale:
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Documentare con precisione ogni arresto e riavvio del fascio laser;
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Implementare sensori di monitoraggio in-linea del letto di polvere e del pool di fusione;
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Applicare ispezioni non distruttive anche a camere già sottoposte a post-processing, con tecniche quali tomografia a raggi X ad alta risoluzione.
Impatto sull’industria e prospettive
Oltre a NASA, numerosi fornitori di stampa L-PBF — come EOS, Renishaw e GE Additive — stanno adottando sistemi di controllo qualità avanzati per ridurre la variabilità del processo. Organizzazioni quali l’Università di Manchester e il Fraunhofer ILT conducono studi analoghi sulle leghe di rame additivamente fabbricate, mirati a migliorare l’affidabilità di motori spaziali di nuova generazione. Sul fronte delle applicazioni commerciali, le stesse metodologie si estendono alla produzione di scambiatori termici per l’industria energetica e di componenti con canali di raffreddamento integrati per stampi automatici.
