La stampa 3D è una minaccia alla forgiatura?
Se chiudi gli occhi e mediti abbastanza forte, immergendoti in una profonda trance transtemporale, potresti essere in grado di evocare i tuoi antichi antenati brandendo un potente martello per rompere e modellare un pezzo di ferro caldo contro un’incudine. Il più antico processo di lavorazione del metallo registrato al mondo, la forgiatura, esiste ancora oggi, sebbene in una forma un po ‘rimossa dal suo inizio più di 6000 anni fa.
I processi di forgiatura applicano la forza per modellare il metallo. Molto spesso, la forgiatura moderna è associata al riscaldamento di pezzi metallici ad alte temperature al punto che possono essere formati da martelli o presse azionati da macchine, a volte utilizzando una matrice per frantumare il materiale in una geometria specifica. Tuttavia, ci sono altre tecniche di forgiatura che utilizzano temperature calde o fredde che assicurano che le parti metalliche non si espandano a causa del calore elevato e quindi si riducano, con conseguenti migliori tolleranze.
Nel settore della produzione additiva (AM), amiamo parlare dei vari processi di produzione tradizionali che sono già stati interrotti dalla stampa 3D e la forgiatura non è diversa. Esattamente come AM rovinerà il mondo della forgiatura, tuttavia, è diverso da come sta influenzando, diciamo, la fusione e la lavorazione.
La forgiatura ha il suo principale vantaggio nella resistenza fisica delle parti forgiate, che, a causa del fatto che la struttura interna del grano si deforma per seguire la forma generale della parte, sono più forti delle parti fuse o lavorate. Il costo dei materiali per i processi di forgiatura è di solito più economico, ma le presse e le matrici di forgiatura possono essere costose e le parti di solito richiedono processi secondari, come la lavorazione CNC, per raggiungere le tolleranze finali.
Pertanto, la forgiatura è di solito riservata a parti meno complesse dal punto di vista geometrico che devono essere prodotte in modo altamente ripetibile da metalli meno costosi, come ferro e acciaio. Ciò potrebbe significare mandrini, martinetti, travi degli assi e alberi per componenti automobilistici; valvole e raccordi in olio e gas; pinze, martelli, slitte e chiavi in hardware e strumenti; bielle, cilindri, dischi nell’industria generale; proiettili, grilletti e altre parti di artiglieria; e paratie, longaroni, cerniere, supporti motore, staffe e travi in ambito aerospaziale. Ovviamente, alcune di queste parti possono incrociarsi da una verticale all’altra (ad es. Staffe e cerniere)
Coloro che hanno familiarità con le tecnologie AM possono iniziare a farsi un’idea di dove AM è il luogo migliore per avere un impatto sul mercato della forgiatura: complessità geometrica bassa, ma proprietà dei materiali ad alta resistenza. Se stai pensando come noi, stai iniziando a considerare la possibilità di deposizione di energia diretta (DED) per la fabbricazione di parti a forma quasi netta.
DED offre molti degli stessi vantaggi e si adatta a molte delle stesse applicazioni della forgiatura, fornendo al contempo alcuni vantaggi aggiuntivi. Usando polvere soffiata o un filo metallico, DED può rapidamente formare una parte di dimensioni medio-grandi a forma quasi netta. Spesso definiti “pezzi grezzi”, questi componenti vengono quindi rifiniti mediante lavorazione CNC.
DED può creare una parte metallica più vicina alla forma desiderata finale rispetto alla forgiatura, senza la necessità di utensili. E, quando si tratta di materiali più costosi come il titanio, DED può potenzialmente essere più conveniente. Per le parti forgiate che richiedono tipicamente stampi, DED può essere significativamente più veloce. A sua volta, DED ha il potenziale per ridurre i costi di stampo, materiale e lavorazione per determinati componenti.
In particolare, quei componenti avranno un numero basso, quando la produzione di massa non ha senso e AM sarà effettivamente più economico della forgiatura. Ciò significa brevi tirature di componenti e prototipi speciali. In altre parole, l’aerospaziale è il settore primario per DED come alternativa alla forgiatura al momento. Esistono numerose aziende DED destinate all’industria aerospaziale, con i produttori di aeromobili che qualificano i processi e le parti per l’installazione su aeromobili.
Quando si tratta di resistenza della parte, i componenti DED subiscono forti gradienti termici durante il processo di deposizione che provocano sollecitazioni residue che possono portare a distorsione e influire negativamente sulla resistenza complessiva della parte. In alcuni casi, potrebbe essere necessario implementare il trattamento termico durante la produzione effettiva di una parte per alleviare lo stress.
Naturalmente, i produttori di sistemi stanno lavorando per superare questi problemi, tra cui il controllo e il monitoraggio della qualità a circuito chiuso, nonché software di simulazione in grado di compensare le sollecitazioni che verranno sperimentate in una parte stampata.
A causa delle questioni discusse qui, è probabile che la forgiatura non sia minacciata da AM, ma integrata da essa. La forgiatura è ancora la scelta di riferimento per la produzione in serie di componenti robusti e geometricamente semplici, mentre il DED può essere utilizzato per un numero limitato di pezzi speciali (spesso medio-grandi) che altrimenti richiederebbero utensili o che dovrebbero essere realizzati ad alte prestazioni, metalli costosi. Ciò potrebbe includere componenti strutturali per il Boeing 787 Dreamliner o staffe in titanio per l’A350 XWB.
Una volta introdotto un sistema DED per tali progetti, è possibile trovare applicazioni ausiliarie per la tecnologia. Ad esempio, le macchine DED possono essere utilizzate per riparare stampi per forgiatura o per depositare funzioni aggiuntive su parti forgiate. Arconic ha effettivamente sviluppato un nuovo processo additivo chiamato Ampliforge in cui le parti DED vengono prima prodotte e poi rifinite con la forgiatura per garantire le proprietà materiali adeguate dei componenti.
