La parola d’ordine di moda nel settore della stampa 3D “multi-materiale”.
Sono state rilasciate stampanti 3D desktop in grado di stampare con più di un materiale in un’unica volta, ma la stampa 3D industriale si sta sviluppando con i multi-materiale. Questo include materiali compositi, come i polimeri rinforzati con fibre. Ma quello che Kevin Eckes, Ph.D, R & D Engineer di Aerosint , descrive come il “Sacro Graal” dei materiali compositi sono i materiali con classificazione funzionale (FGM).
Eckes, che ci ha presentato l’approccio unico di Aerosint alla stampa 3D con letto in polvere multimateriale lo scorso autunno, ha condiviso prospettive più profonde in sezioni di pensiero su Medium.
“A differenza dei materiali compositi tradizionali, in cui un materiale di rinforzo è distribuito su un materiale a matrice di massa, le MGF sono compositi in cui due materiali sono uniti con un’interfaccia graduata per evitare un confine distinto tra i due materiali sfusi”, spiega Eckes. la creazione di questa gradazione consiste nel distribuire su un volume maggiore le sollecitazioni termiche e meccaniche che altrimenti si concentrerebbero su un confine distinto del materiale e causerebbero la rottura o la rottura della parte. ”
Le MGF, a causa della loro resistenza al guasto, sono utili in ambienti estremi con elevate sollecitazioni termiche, chimiche o meccaniche che potrebbero causare il cedimento di una parte monomateriale. Un esempio di una parte della FGM è una lastra metallo-ceramica, in cui i due materiali annullano la reciproca debolezza e migliorano i punti di forza reciproci. La ceramica di per sé è dura e resistente chimicamente e termicamente, ma è anche fragile con una resistenza a basso impatto. Il metallo, d’altra parte, è forte con una resistenza elevata, ma è facilmente corroso da acidi e basi forti e le sue prestazioni meccaniche ne risentono quando riscaldate. Metti insieme i due materiali e diventano praticamente indistruttibili.
Le MGF metallo-ceramiche possono resistere a gradienti di calore elevati senza fessurazioni o deformazioni plastiche (grafica adattata da: A. Gupta, M. Talha, Progress in Aerospace Sciences. 79, 1-14 (2015)
“Un FGM metallo-ceramica è in grado di sopportare temperature elevate e ambienti chimici aggressivi sul viso in ceramica, mantenendo nel contempo la resistenza complessiva e la resistenza alle fratture fragili grazie ai rinforzi metallici”, afferma Eckes.
I ricercatori del National Aerospace Laboratories of Science and Technology, in Giappone, hanno iniziato a utilizzare le MGF in metallo-ceramica per cercare di creare barriere termiche efficaci e durevoli per i veicoli spaziali riutilizzabili. Hanno scoperto che una lastra composta da strati di superlega di nichel e un ossido di zirconio stabilizzato su una base di superlega di nichel poteva resistere a gradienti di calore superiori a 1000 ° C senza incrinature. Nelle stesse condizioni, una superlega di nichel al 100% rivestita con ossido di zirconio al 100% e una lega di cromo come strato di rilassamento tra le fessurazioni da fatica termica.
Un FGM combina le migliori proprietà termiche, meccaniche e / o chimiche (in alto) di due materiali (in questo caso, acciaio e rame) in una singola parte con un’interfaccia graduata che distribuisce le sollecitazioni all’interno di un volume maggiore (sotto). L’obiettivo è evitare il fallimento di una parte che probabilmente si verificherebbe come risultato della concentrazione di stress a un limite di materiale (centro). Legenda: k = conduttività termica, σ = stress, ε = deformazione, α = coefficiente di espansione termica, T = temperatura, V = volume
Anche le FGM metallo-metallo sono utili. Le MGF acciaio-rame, ad esempio, combinano il basso costo e l’alta resistenza dell’acciaio con l’alta conducibilità termica ed elettrica del rame. In un recente esempio, i ricercatori hanno creato uno strumento per lo stampaggio a iniezione con una superficie di stampaggio in acciaio e un corpo in rame massiccio, unito a un materiale a strato tampone brevettato. Grazie all’elevata conduttività elettrica del rame, il tempo di raffreddamento dello stampo è stato ridotto di 10 secondi, riducendo il tempo complessivo del ciclo dello stampo del 26%. L’azienda stimava che tale aumento della produttività potesse far risparmiare loro circa $ 60.000 per stampo all’anno.
Esistono anche FGM polimero-polimerici, in cui i polimeri rigidi e flessibili possono essere combinati per cose come bracci rigidi con giunti morbidi in robotica, per esempio, o polimeri resistenti all’usura potrebbero essere uniti a polimeri duri per cuscinetti non metallici o componenti di movimento .
“La maggior parte dei metodi utilizzati per creare le MGF che sono descritti nella letteratura di ricerca sono in grado di creare gradienti 1D, che sono utili solo in un numero limitato di applicazioni come le piastrelle a barriera termica”, continua Eckes. “Per creare parti multi-materiale e FGM con completa libertà 3D, abbiamo bisogno del controllo spaziale a livello di voxel sul posizionamento del materiale. Diverse tecniche AM attualmente disponibili sul mercato sono in grado di controllare questo grado di controllo della composizione, ma sono principalmente orientate verso la prototipazione o la fabbricazione di pezzi unici “.
Aerosint è specializzato nella deposizione multi-polvere, in cui i voxel in polvere vengono trasferiti selettivamente da un tamburo rotante alla superficie di costruzione. In teoria, molti materiali quanti il numero di tamburi possono essere modellati, anche se finora Aerosint ha dimostrato la deposizione di due polveri. Il materiale può essere metallo, polimero o ceramica, purché la fluidità della polvere e la distribuzione delle dimensioni delle particelle siano compatibili con il processo.
“La sfida più importante del nostro processo è il consolidamento o la sinterizzazione di materiali bi-materiali”, afferma Eckes. “Esistono evidenti limiti fisici nella co-sinterizzazione di due materiali con temperature di fusione o di sinterizzazione molto diverse. Anche così, molti ricercatori hanno dimostrato una co-sinterizzazione metallo-metallo e metallo-ceramica di successo attraverso una selezione prudente di materiali con proprietà compatibili. Le combinazioni non sono illimitate, ma pensiamo che siano abbastanza abbondanti da creare una gamma di FGM utili. ”
La tecnologia Aerosint deposita selettivamente più materiali in polvere su una superficie di costruzione della macchina in modo linea per linea. Abbiamo co-modellato con successo allumina e titanio (in alto a destra), acciaio inossidabile 316L e rame (in basso a sinistra) e TPU e PA12 (bianco e nero, rispettivamente, in basso a destra). Barra della scala = 1 cm.
La combinazione di deposizione multi-polvere e co-sinterizzazione bi-materiale è uno dei modi più efficaci per consentire la stampa 3D multi-materiale, efficiente in termini di materiali, rapida e produttiva, secondo Eckes. Aerosint sta creando partnership con istituti di ricerca e accademici con esperienza nella co-sinterizzazione dei materiali e nella stampa 3D in metallo e ceramica.
