Gli ultrasuoni rendono i componenti additivi della stampante 3D più stabili e durevoli
Nel prossimo futuro, gli ultrasuoni consentiranno di utilizzare stampanti 3D industriali per produrre componenti più robusti, più durevoli e più economici rispetto a prima per l’aerospaziale, la produzione di utensili e altri settori. Per portare questa nuova tecnologia alla maturità del mercato entro tre anni, i ricercatori di Dresda, Amburgo e Melbourne, in Australia, hanno unito le forze per formare una rete di ricerca. Il loro progetto UltraGrain, lanciato nel giugno 2022, mira a creare una microstruttura a grana fine (»gradazione«) su misura nella saldatura a deposizione laser a base di filo e polvere, che promette di migliorare le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione di una serie di leghe.
Il Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS di Dresda, il Fraunhofer Institute for Additive Production Technologies IAPT di Amburgo e il RMIT Center for Additive Manufacturing di Melbourne, in Australia, partecipano al progetto, dotato di quattro milioni di euro. Il kick-off meeting ufficiale si è svolto l’11 ottobre 2022 a Dresda sul tema principale “Classificazione su richiesta della struttura del grano mediante AM assistita da ultrasuoni – dalla dimostrazione all’industrializzazione”.
Dresden e Hamburger portano la cooperazione con RMIT e l’Australia a un nuovo livello
“Questo progetto congiunto con RMIT e Fraunhofer IAPT è una questione che ci sta a cuore”, sottolinea il Prof. Christoph Leyens, direttore del Fraunhofer IWS e professore a contratto presso RMIT. Il prof. Ingomar Kelbassa, direttore del Fraunhofer IAPT e anche professore a contratto presso RMIT, la vede allo stesso modo: “Sia il Fraunhofer IAPT che il Fraunhofer IWS collaborano da molto tempo con i loro colleghi australiani attraverso contatti personali. Tuttavia, UltraGrain è ora il primo progetto finanziato che dovrebbe portare direttamente a un trasferimento dei risultati della ricerca congiunta nella pratica industriale.« In vista della collaborazione con un eccellente istituto internazionale, che viene avviato e approfondito qui, la Fraunhofer-Gesellschaft è finanziando il progetto con 1 , 5 milioni di euro dal loro programma “International Cooperation and Networking” (ICON). I partner australiani contribuiscono con altri 2,5 milioni di euro. Gli scienziati coinvolti vedono un grande potenziale di mercato nel loro progetto di collaborazione: “UltraGrain contribuirà a portare la produzione additiva a un’ampia applicazione industriale”, prevede Christoph Leyens. I collaboratori del progetto RMIT Center for Additive Manufacturing Il prof. associato Andrey Molotnikov, il distinto prof. Milan Brandt e il distinto prof. Ma Qian sono molto ottimisti sull’applicazione degli ultrasuoni alla manipolazione della microstruttura. Sono convinti che la prossima generazione di produzione additiva di parti aerospaziali beneficerà in modo significativo dell’introduzione della tecnologia a ultrasuoni,
Gli ultrasuoni favoriscono una granulazione uniforme nel materiale
I ricercatori stanno aprendo nuovi orizzonti tecnologici. Per influenzare in modo specifico la struttura del grano interno (“grana”) dei componenti stampati in 3D e quindi le loro proprietà meccaniche, combinano la collaudata saldatura a deposizione laser a base di filo e polvere con gli ultrasuoni, che oscillano oltre i toni che gli esseri umani possono sentire. Per fare ciò, inviano vibrazioni fini con una frequenza definita con precisione attraverso il componente risultante durante il processo di applicazione dell’additivo, ad esempio. Gli ultrasuoni impediscono la formazione di strutture colonnari al suo interno. Questi pilastri microscopici nel materiale sono spesso indesiderabili poiché il loro orientamento unidirezionale porta a prestazioni meccaniche inferiori. Sotto l’azione degli ultrasuoni, invece, si formano microgranuli più fini, di forma tondeggiante, che sono quasi uniformemente distribuiti nelle aree lavorate. Questo allineamento equiassiale aumenta la resilienza meccanica e chimica dei pezzi prodotti in modo additivo. Poiché gli ultrasuoni possono essere controllati in modo mirato, i progettisti di componenti possono, ad esempio, specificare esattamente dove il pezzo sarà esposto a forti sollecitazioni in seguito durante l’uso. Lì gli sviluppatori possono pianificare una struttura del grano controllata a ultrasuoni, ma anche decidere in quali punti possono farne a meno a favore di una produzione più rapida. Tale classificazione è importante in modo che, ad esempio, i serbatoi di gas delle sonde spaziali possano in seguito resistere alle sfide speciali nello spazio per gli anni a venire, o gli strumenti nelle fabbriche automobilistiche possano resistere anche a carichi puntuali elevati nella produzione di massa. Questo allineamento equiassiale aumenta la resilienza meccanica e chimica dei pezzi prodotti in modo additivo. Poiché gli ultrasuoni possono essere controllati in modo mirato, i progettisti di componenti possono, ad esempio, specificare esattamente dove il pezzo sarà esposto a forti sollecitazioni in seguito durante l’uso. Lì gli sviluppatori possono pianificare una struttura del grano controllata a ultrasuoni, ma anche decidere in quali punti possono farne a meno a favore di una produzione più rapida. Tale classificazione è importante in modo che, ad esempio, i serbatoi di gas delle sonde spaziali possano in seguito resistere alle sfide speciali nello spazio per gli anni a venire, o gli strumenti nelle fabbriche automobilistiche possano resistere anche a carichi puntuali elevati nella produzione di massa. Questo allineamento equiassiale aumenta la resilienza meccanica e chimica dei pezzi prodotti in modo additivo. Poiché gli ultrasuoni possono essere controllati in modo mirato, i progettisti di componenti possono, ad esempio, specificare esattamente dove il pezzo sarà esposto a forti sollecitazioni in seguito durante l’uso. Lì gli sviluppatori possono pianificare una struttura del grano controllata a ultrasuoni, ma anche decidere in quali punti possono farne a meno a favore di una produzione più rapida. Tale classificazione è importante in modo che, ad esempio, i serbatoi di gas delle sonde spaziali possano in seguito resistere alle sfide speciali nello spazio per gli anni a venire, o gli strumenti nelle fabbriche automobilistiche possano resistere anche a carichi puntuali elevati nella produzione di massa. Poiché gli ultrasuoni possono essere controllati in modo mirato, i progettisti di componenti possono, ad esempio, specificare esattamente dove il pezzo sarà esposto a forti sollecitazioni in seguito durante l’uso. Lì gli sviluppatori possono pianificare una struttura del grano controllata a ultrasuoni, ma anche decidere in quali punti possono farne a meno a favore di una produzione più rapida. Tale classificazione è importante in modo che, ad esempio, i serbatoi di gas delle sonde spaziali possano in seguito resistere alle sfide speciali nello spazio per gli anni a venire, o gli strumenti nelle fabbriche automobilistiche possano resistere anche a carichi puntuali elevati nella produzione di massa. Poiché gli ultrasuoni possono essere controllati in modo mirato, i progettisti di componenti possono, ad esempio, specificare esattamente dove il pezzo sarà esposto a forti sollecitazioni in seguito durante l’uso. Lì gli sviluppatori possono pianificare una struttura del grano controllata a ultrasuoni, ma anche decidere in quali punti possono farne a meno a favore di una produzione più rapida. 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Tale classificazione è importante in modo che, ad esempio, i serbatoi di gas delle sonde spaziali possano in seguito resistere alle sfide speciali nello spazio per gli anni a venire, o gli strumenti nelle fabbriche automobilistiche possano resistere anche a carichi puntuali elevati nella produzione di massa.
Speranza: nuovi contatti e guadagni internazionali nel settore
“Con UltraGrain possiamo migliorare proprietà come la resistenza alla fatica, la forza, la resilienza e la duttilità e ridurre significativamente la suscettibilità alla rottura dei componenti prodotti in modo additivo”, spiega il project manager Dr. Elena López del Fraunhofer IWS le prospettive che ne derivano. “Questo progetto apre anche l’opportunità di stabilire nuovi contatti nell’industria australiana e di aumentare i guadagni internazionali del nostro istituto”.
Tra le altre cose, il Fraunhofer IWS contribuisce alla rete di ricerca con la sua esperienza nella saldatura a deposizione laser e nello sviluppo della tecnologia dei sistemi. In particolare, l’attenzione è rivolta ai processi additivi, in cui i sistemi alimentano il laser sotto forma di filo con le leghe di titanio o acciaio desiderate. Sono inoltre previsti studi con materiali di partenza in polvere.
Il Fraunhofer IAPT si occupa della progettazione ottimale di componenti con diverse strutture granulari. Sulla base di un “design multi-materiale”, è in fase di sviluppo una metodologia per il posizionamento ottimale delle aree di materiale interessate dagli ultrasuoni all’interno di una specifica geometria del componente. Inoltre, il Fraunhofer IAPT si occupa della pianificazione ottimale del percorso per la nuova tecnologia di processo.
In qualità di partner universitario internazionale, il Centro RMIT per la produzione additiva sta ricercando i processi fisici che gli ultrasuoni innescano nel materiale con il nuovo approccio di processo nel corso di UltraGrain con misurazioni avanzate di sincrotrone. Gli esperti australiani stanno anche esaminando i possibili effetti di ridimensionamento. Effetti collaterali imprevisti possono verificarsi quando si passa dalla produzione puramente di laboratorio di componenti di dimensioni centimetriche a componenti di serie prodotti in modo additivo che si estendono su diversi decimetri o addirittura metri.
L’interesse del settore per il nuovo processo UltraGrain è stato grande fin dall’inizio del progetto. L’Industry Advisory Board è composto da aziende internazionali del settore aerospaziale, della tecnologia ferroviaria e di altri settori. L’esperienza ha dimostrato che le aziende rappresentate nei comitati consultivi dei progetti Fraunhofer sono spesso tra i primi ad adottare tali nuove tecnologie.
