La stampa 3D metallica del rame è una delle aree più interessanti della manifattura additiva, ma anche una delle più difficili. Il rame riflette molta energia laser, conduce il calore molto rapidamente e tende a rendere complesso il controllo del bagno di fusione. Per questo, nella produzione tramite Laser Powder Bed Fusion, o LPBF, possono comparire porosità, mancanze di fusione, tensioni residue e difetti che riducono le prestazioni del componente finale.
Un gruppo del Politecnico di Torino, con il coinvolgimento del CIM Competence Center, ha studiato una strada diversa per migliorare le parti in lega di rame stampate in 3D: non agire solo sulla stampa, ma intervenire dopo la produzione con la friction stir welding, o FSW, una saldatura allo stato solido basata su attrito e deformazione plastica.
Il lavoro, firmato da Mohammad Abankar, Vincenzo Lunetto e Pasquale Russo Spena, riguarda la lega CuNiSiCr, un rame legato con nichel, silicio e cromo. È un materiale interessante perché unisce buona conducibilità termica ed elettrica con proprietà meccaniche superiori rispetto al rame puro. Proprio per questo può essere utile in scambiatori di calore, dissipatori, ugelli, bobine di induzione, sistemi di raffreddamento e componenti per energia e aerospazio.
Il punto centrale dello studio è semplice da spiegare: se la LPBF permette di creare geometrie complesse ma lascia difetti nel materiale, la FSW può essere usata per unire e allo stesso tempo “rimescolare” la zona saldata, riducendo porosità e affinando la microstruttura.
Perché il rame è così difficile da stampare in LPBF
La stampa 3D metallica a letto di polvere funziona bene quando il laser trasferisce energia in modo efficiente alla polvere. Nel caso del rame, questo passaggio è complicato. Il materiale ha alta riflettività verso le lunghezze d’onda comunemente usate nei sistemi LPBF e disperde rapidamente il calore. Il risultato è che una parte dell’energia non viene assorbita come sarebbe necessario.
Quando il materiale non fonde in modo completo o uniforme, possono formarsi difetti. La porosità è uno dei più importanti, perché riduce la sezione resistente del pezzo, peggiora la tenuta, può ridurre la conducibilità e diventa un punto di innesco per fratture o fatica. Nei componenti termici, elettrici o fluidici, questi difetti non sono dettagli marginali.
Le leghe come CuNiSiCr aiutano perché migliorano la processabilità e le proprietà meccaniche rispetto al rame puro. Tuttavia, non eliminano tutti i problemi. La LPBF resta limitata dal volume di costruzione della macchina, dal tempo necessario per costruire pezzi grandi e dalla possibilità che difetti locali compromettano componenti complessi.
Qui nasce la domanda affrontata dai ricercatori: invece di stampare un grande componente in un unico job, si possono stampare parti più piccole e poi unirle con una tecnica che non peggiori il materiale?
Che cos’è la friction stir welding
La friction stir welding è una tecnica di giunzione allo stato solido. Un utensile rotante viene inserito nella linea di giunzione tra due pezzi e avanzato lungo il contatto. Il calore generato dall’attrito ammorbidisce il materiale, mentre il movimento dell’utensile lo rimescola e lo consolida. Il metallo non viene portato a fusione completa come in una saldatura tradizionale.
Questo aspetto è importante. Nei processi di saldatura per fusione, il materiale viene fuso e poi solidificato. In molte leghe ciò può causare porosità, cricche a caldo, segregazioni, zone termicamente alterate più ampie e cambiamenti microstrutturali difficili da controllare. La FSW, lavorando allo stato solido, può ridurre alcuni di questi problemi.
Nel caso dei materiali stampati in 3D, la FSW ha un interesse ulteriore. L’utensile non si limita a unire due parti: può anche modificare la microstruttura nella zona attraversata. La deformazione plastica intensa e il calore generato dal processo possono rompere strutture colonnari, ridistribuire o chiudere pori, affinare i grani e creare una zona rimescolata più compatta.
Lo studio su CuNiSiCr stampato in 3D
Nel lavoro del Politecnico di Torino sono state prodotte piastre in lega CuNiSiCr tramite LPBF. Le piastre avevano dimensioni ridotte, ma sufficienti per valutare la saldabilità del materiale e il comportamento della zona di giunzione. La densità iniziale del materiale non era perfetta: la porosità del materiale stampato rappresentava proprio uno dei problemi da affrontare.
I ricercatori hanno poi eseguito giunzioni testa a testa tramite FSW. Sono state testate due velocità di avanzamento, 100 e 500 mm/min, mantenendo la velocità di rotazione dell’utensile a 900 rpm. Durante il processo sono stati monitorati parametri come coppia, forza verticale e forza di avanzamento, in modo da capire meglio il comportamento del materiale sotto l’utensile.
L’attrezzatura utilizzata era una macchina FSW di Stirtec GmbH, con utensile in lega tungsteno-renio. Questa scelta è significativa perché il rame e le sue leghe richiedono utensili resistenti alle alte temperature e all’usura. Non si tratta quindi di una prova banale: saldare per attrito una lega di rame prodotta in LPBF richiede utensile, parametri e controllo del processo adatti.
Il risultato più importante: la porosità quasi scompare nella zona saldata
Il dato più interessante riguarda la porosità. Il materiale CuNiSiCr prodotto in LPBF presentava difetti tipici della stampa metallica del rame, inclusi pori e mancanze di fusione. Dopo il passaggio della FSW, la zona rimescolata mostrava una riduzione molto forte della porosità, fino a valori quasi nulli nelle aree interessate dall’utensile.
Questo avviene perché la FSW sottopone il materiale a una combinazione di calore, pressione e deformazione plastica. I pori vengono schiacciati, chiusi o ridistribuiti. La microstruttura viene trasformata. I grani diventano più fini e la zona saldata assume caratteristiche diverse rispetto al materiale as-built.
Per la stampa 3D metallica questo è un punto importante. Molte tecnologie di post-processing cercano di ridurre i difetti interni. La pressatura isostatica a caldo, ad esempio, è usata spesso per chiudere porosità e migliorare la resistenza a fatica. La FSW non sostituisce l’HIP in tutti i casi, ma può avere un ruolo diverso: unisce due parti e migliora localmente la zona di giunzione.
Durezza e resistenza aumentano, ma la duttilità diminuisce
Lo studio ha mostrato anche un aumento della durezza nella zona saldata. Il materiale as-built aveva una durezza intorno a 84 HV, mentre la zona interessata dalla FSW ha raggiunto valori fino a circa 170 HV. Questo incremento è collegato all’affinamento dei grani, alla riduzione dei difetti e alla trasformazione microstrutturale provocata dal processo.
Anche la resistenza a trazione è migliorata. Il materiale stampato non saldato mostrava una resistenza di circa 216 MPa. Dopo la FSW, i giunti hanno raggiunto circa 245 MPa con velocità di avanzamento di 100 mm/min e circa 235 MPa con 500 mm/min.
La contropartita è stata una perdita di duttilità. L’allungamento a rottura è passato da circa 14% nel materiale as-built a valori intorno al 7–8% nei campioni saldati. Questo significa che il materiale diventa più resistente, ma meno capace di deformarsi prima della rottura.
È un risultato da leggere con attenzione. Nel mondo industriale non sempre “più resistente” significa automaticamente “migliore”. Un componente deve avere il giusto equilibrio tra resistenza, duttilità, tenacità, conducibilità, stabilità termica e comportamento a fatica. La FSW migliora alcuni aspetti, ma il progetto del componente e il trattamento successivo devono tenere conto della riduzione di duttilità.
La frattura avviene nel materiale base, non nella saldatura
Un altro elemento interessante è il punto di rottura. Nei test riportati, la frattura non si è concentrata nella zona rimescolata dalla FSW, ma nel materiale base prodotto in LPBF. Questo indica che la zona saldata non era l’anello debole del sistema. Al contrario, il materiale circostante, ancora caratterizzato dalla porosità della stampa, ha limitato la prestazione globale.
Questo dato è importante perché mostra che la FSW non ha creato una giunzione fragile o inferiore alla parte stampata. Il problema principale resta la qualità del materiale LPBF non rimescolato. In prospettiva, questo suggerisce due strade: migliorare la stampa iniziale del CuNiSiCr, oppure combinare LPBF, FSW e trattamenti post-processo per ottenere componenti più omogenei.
Perché questa ricerca interessa gli scambiatori di calore e i sistemi di raffreddamento
Le leghe di rame sono molto importanti nei componenti dove bisogna trasferire calore o corrente elettrica. La stampa 3D può creare canali interni complessi, geometrie ottimizzate, superfici di scambio più efficienti e percorsi fluidici difficili da ottenere con fresatura o brasatura tradizionale.
Il problema è che molti componenti reali sono più grandi del volume di costruzione disponibile in una macchina LPBF. Inoltre, stampare tutto in un unico pezzo può essere costoso, lento e rischioso. Se un difetto compare dopo molte ore di stampa, l’intero pezzo può essere perso.
La possibilità di stampare moduli più piccoli e unirli con FSW potrebbe cambiare il modo di progettare questi componenti. Un grande scambiatore di calore, una bobina di induzione complessa o un sistema di raffreddamento per applicazioni aerospaziali potrebbero essere divisi in sezioni, stampati separatamente e poi uniti con una tecnica allo stato solido.
Questo approccio non elimina la necessità di test di tenuta, controlli non distruttivi e verifiche termiche. Ma apre una strada pratica per superare il limite dimensionale della LPBF.
FSW e LPBF: due tecnologie complementari
La manifattura additiva viene spesso raccontata come un processo autonomo: si stampa il pezzo e il lavoro è finito. Nel metallo, questa immagine è quasi sempre incompleta. Un componente stampato in LPBF può richiedere distacco dal piano, trattamento termico, rimozione supporti, lavorazione CNC, lucidatura, HIP, controlli dimensionali e controlli non distruttivi.
La FSW si aggiunge a questa catena come possibile tecnologia di assemblaggio e consolidamento. Non serve per ogni parte, ma può essere utile quando il componente deve essere più grande, modulare o integrato con sezioni prodotte separatamente.
Il valore sta nella combinazione: la LPBF crea geometrie interne complesse, la FSW permette di unire sezioni e migliorare localmente la microstruttura. La lavorazione meccanica finale può riportare le tolleranze alla quota richiesta. I controlli verificano che il componente rispetti requisiti di porosità, resistenza, tenuta e geometria.
In questo senso la ricerca non parla solo di una saldatura. Parla di una filiera ibrida per componenti metallici avanzati.
Il ruolo dei trattamenti termici
Un precedente studio dello stesso gruppo ha analizzato anche l’effetto dei trattamenti termici post-saldatura sui giunti CuNiSiCr prodotti in LPBF e saldati con FSW. Il tema è importante perché la lega CuNiSiCr si rafforza tramite precipitazione. In pratica, la distribuzione di precipitati all’interno della matrice metallica contribuisce alla durezza e alla resistenza.
Il ciclo termico della saldatura può modificare questa distribuzione. Un trattamento successivo, come l’invecchiamento a 500 °C, può migliorare ulteriormente la durezza e la resistenza del giunto. Nel lavoro precedente, l’invecchiamento diretto è risultato efficace e potenzialmente più semplice rispetto a percorsi di trattamento più lunghi.
Questo punto è molto utile per l’industria. Se un componente stampato e saldato può essere migliorato con un trattamento termico più semplice, la filiera diventa più gestibile. Naturalmente, il trattamento deve essere valutato in base all’applicazione. Aumentare la durezza può ridurre la duttilità, quindi bisogna scegliere il compromesso corretto.
Cosa manca prima dell’applicazione industriale
Il lavoro è molto interessante, ma resta una fase di ricerca. I campioni sono piccoli e le condizioni sono controllate. Per arrivare a componenti industriali servono altri passaggi.
Il primo riguarda la scala. Unire piastre da laboratorio non è la stessa cosa che unire sezioni complesse di uno scambiatore o di un componente aerospaziale. Geometrie curve, spessori variabili, canali interni e zone non accessibili rendono la FSW più difficile.
Il secondo riguarda la conducibilità. La resistenza meccanica è importante, ma nel rame contano anche conducibilità termica ed elettrica. Se la FSW migliora la microstruttura ma modifica localmente la conducibilità, bisogna misurare con attenzione l’effetto sul componente finale.
Il terzo riguarda la fatica. Nei sistemi sottoposti a cicli termici, vibrazioni o carichi ripetuti, la resistenza statica non basta. La zona saldata, la zona termicamente alterata e il materiale base devono essere valutati con prove a fatica.
Il quarto riguarda la tenuta. Per scambiatori e canali di raffreddamento, una giunzione deve essere non solo resistente, ma anche a tenuta. Servono prove di pressione, cicli termici, controlli a raggi X o tomografia e verifiche sulla presenza di difetti residui.
Il quinto riguarda la ripetibilità. Una tecnologia entra in produzione quando il risultato può essere ripetuto più volte, non quando funziona una volta in laboratorio.
Perché non basta parlare di “riparazione della porosità”
La riduzione della porosità nella zona rimescolata è un risultato molto forte, ma non deve essere interpretata come una soluzione universale. La FSW modifica solo la zona attraversata dall’utensile. Se il resto del pezzo stampato resta poroso, il componente globale può continuare a essere limitato dal materiale base.
Questo significa che la FSW è efficace soprattutto se inserita in una strategia completa. Bisogna progettare il pezzo sapendo dove passerà la saldatura, quali zone saranno rimescolate, quali resteranno as-built e quali dovranno essere eventualmente trattate con altri processi. La FSW non è una bacchetta magica, ma uno strumento di progettazione e post-processing.
In futuro potrebbe essere interessante studiare non solo la saldatura tra due parti, ma anche il friction stir processing, cioè l’uso dell’utensile per modificare la superficie o zone specifiche di un pezzo senza necessariamente unirlo a un altro. Questo potrebbe permettere di densificare localmente aree critiche, migliorare microstruttura e ridurre difetti in punti selezionati.
Un vantaggio economico possibile
Un componente grande in CuNiSiCr stampato in LPBF può essere costoso. Il materiale è prezioso, il tempo macchina è elevato e il rischio di scarto cresce con la durata del job. Dividere il componente in sezioni più piccole può ridurre alcuni rischi. Se una sezione fallisce, non si perde l’intero assieme. Se le sezioni possono essere saldate in modo affidabile, la progettazione modulare diventa più interessante.
La FSW potrebbe quindi avere un ruolo economico oltre che tecnico. Potrebbe consentire una produzione più flessibile di componenti termici complessi, riducendo dipendenza da singoli job molto lunghi. Naturalmente, la saldatura aggiunge un passaggio produttivo e richiede attrezzature dedicate. Il vantaggio va quindi valutato caso per caso.
Per componenti semplici e piccoli, la FSW può non servire. Per componenti grandi, costosi o modulari, può diventare una parte importante del processo.
Il contributo del Politecnico di Torino
Il lavoro di Abankar, Lunetto e Russo Spena è interessante anche perché si colloca in una linea di ricerca più ampia sulle tecnologie di giunzione per materiali prodotti in additive manufacturing. Il Politecnico di Torino e il laboratorio J-Tech@PoliTO lavorano da tempo su processi di saldatura allo stato solido, microstruttura, proprietà meccaniche e post-processing.
Questo è un punto da sottolineare. La manifattura additiva metallica non si sviluppa solo con nuove macchine di stampa. Si sviluppa anche con tecnologie di giunzione, trattamento, ispezione e qualifica. Senza questi passaggi, molti componenti restano limitati alla fase dimostrativa.
L’unione tra LPBF e FSW mostra proprio questa maturazione. Non si tratta di scegliere tra stampa 3D e processi tradizionali. Si tratta di combinare tecniche diverse per ottenere componenti migliori.
Una strada concreta per componenti in rame più grandi
Il messaggio principale dello studio è che la friction stir welding può essere una tecnica efficace per unire leghe CuNiSiCr prodotte in LPBF, migliorando la zona saldata e riducendo fortemente la porosità. Il risultato è particolarmente importante perché il rame stampato in 3D è difficile da produrre senza difetti e perché molti componenti termici o elettrici hanno dimensioni superiori al volume di costruzione delle macchine.
La ricerca non dimostra ancora una soluzione industriale completa per scambiatori, ugelli o bobine di grandi dimensioni. Dimostra però che il percorso è credibile: stampare in 3D sezioni complesse, unirle con una saldatura allo stato solido, affinare la microstruttura nella zona di giunzione e costruire componenti più grandi senza ricorrere a processi di fusione tradizionali.
Per Noi, il punto più interessante è questo: la qualità della stampa 3D metallica non si decide solo dentro la camera della macchina. Si decide anche dopo, nei processi che trasformano il pezzo stampato in un componente utilizzabile. Nel caso del CuNiSiCr, la FSW sembra offrire una strada promettente per passare da provini e parti isolate ad assiemi metallici più grandi, più resistenti e meglio controllati.
