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Materiali secondo la ricetta: con il kit polvere per una maggiore flessibilità e varietà di materiali nella stampa 3D
 Pochi materiali di base portano a molte combinazioni di proprietà dei materiali. Concept del “kit polvere LPBF” per la stampa 3D mediante raggio laser.
La fusione del raggio laser a base di polvere (LPBF) è probabilmente il processo AM più noto e ha un grande potenziale per l’applicazione industriale. Ma come si può evitare la gamma limitata di materiali per questo processo e ampliare ulteriormente il potenziale di mercato? L’IWM della RWTH Aachen e il Fraunhofer IFAM hanno indagato su questa questione nel progetto “LPBF powder construction kit” finanziato dall’AiF. Di conseguenza, è stata sviluppata una soluzione sostenibile per la produzione individuale e robusta di miscele di polveri metalliche, in modo che l’utente possa coprire le proprietà del materiale desiderate con una piccola selezione di polveri metalliche e regolare le leghe in modo flessibile. 

La stampa 3D consente la massima libertà creativa nella costruzione e produzione dei componenti. Grazie a questi vantaggi, le tecnologie di stampa 3D hanno saputo affermarsi bene in aree tecniche come l’ingegneria automobilistica e l’aerospaziale. Tuttavia, i diversi campi di applicazione richiedono non solo la migliore geometria progettata possibile, ma anche proprietà dei materiali ottimizzate. A tal fine è necessario un materiale adeguatamente adattato. Tuttavia, la ricerca sui materiali per la produzione additiva è ancora agli inizi. Finora sono stati lavorati materiali che sono stati qualificati dai produttori di impianti per i loro processi di aggiunta dei vari additivi per stabilire i processi di produzione nel settore. Questa gamma di materiali è abbastanza gestibile e, in termini di diversità, non può essere paragonata ai materiali convenzionali, la maggior parte dei quali sono prodotti mediante fusione. Con i tradizionali processi di produzione sottrattiva, ci sono centinaia di diversi acciai, leghe di alluminio, leghe di cobalto-cromo resistenti all’usura e molti altri per ogni specifica applicazione. Nella stampa 3D, la selezione di tutti i materiali metallici è limitata a meno di 30 materiali, quindi non tutti i requisiti possono essere coperti. 

Gli elementi giusti garantiscono un’ampia varietà di proprietà dei materiali
La gamma di materiali può essere specificamente ampliata con il “kit di costruzione polvere LPBF”, che consiste, ad esempio, in polvere a base di ferro con e senza carbonio, cromo, nichel, molibdeno e carburo di titanio. Le proprietà dei materiali che sono spesso richieste includono resistenza alla corrosione, resistenza, durezza e conduttività termica. Molte leghe di acciaio sono costituite dagli stessi elementi, come carbonio, cromo e nichel, ma differiscono nelle proporzioni relative. Il processo sviluppato comprende la selezione della composizione della lega in base al profilo del requisito specifico del materiale, la determinazione della composizione della polvere mediante metodi di simulazione termodinamica e la preparazione della polvere mediante adeguati processi di miscelazione e omogeneizzazione. Vengono quindi determinati i parametri di processo ottimali e il materiale così prodotto viene qualificato mediante caratterizzazione microstrutturale e verifica delle proprietà meccaniche. Una volta che la polvere è stata miscelata, la lega viene creata dal successivo processo di fusione del raggio laser. L’energia del laser fonde le particelle di polvere metallica e si mescola per formare la lega desiderata. Alla fine del processo è il componente finito con proprietà del materiale su misura.

Test di utensili resistenti alla corrosione e acciai duplex di nuova concezione per la stampa 3D 
La prima applicazione concreta nell’ambito del progetto è stata la produzione di acciai inossidabili su misura e resistenti alla corrosione per profili di proprietà appositamente adattati mediante lega nel »kit polvere LPBF«. Durante il lavoro di sviluppo, sono stati identificati i fattori di influenza che promuovono una buona formazione di leghe resistenti alla corrosione ed è stata testata la qualità della lega in modo orientato all’applicazione. Di conseguenza, si potrebbe dimostrare che gli acciai per utensili resistenti alla corrosione e gli acciai duplex legati nel processo LPBF sono più resistenti della rispettiva polvere di base e che hanno raggiunto le proprietà target desiderate. Un altro vantaggio è la possibilità di regolare la struttura mediante parametri laser adattati. Un esempio di ciò sono i carburi di diverse dimensioni nella struttura degli acciai per utensili. Sono richieste dimensioni diverse a seconda dell’area di applicazione. Con il sistema di polvere modulare sviluppato, questi possono essere variati in modo efficiente e trasformati in componenti omogenei. I risultati di questo sottoprogetto possono essere resi disponibili su richiesta.  

Bypassare i colli di bottiglia nella consegna – produzione sicura
Le aziende che devono essere altamente flessibili e fornire clienti diversi con profili di requisiti diversi traggono vantaggio in particolare dal progetto di ricerca. Questi includono in particolare i fornitori di servizi di produzione, che appartengono per lo più alle piccole e medie imprese. La produzione di polveri metalliche richiede normalmente quattro settimane. Se un produttore vuole coprire diversi materiali con piccole quantità, i tempi di attesa aumentano enormemente. Una volta acquistati i materiali di base, è possibile impostare le proprietà del materiale desiderate utilizzando il “kit polvere LPBF” e garantire la produzione in caso di potenziali colli di bottiglia nella consegna. Le fasi successive dello sviluppo sono il calcolo automatizzato e la regolazione della miscela di polveri per lo sviluppo specifico del prodotto. 

 
supporto finanziario 
Il lavoro presentato è stato finanziato dal Ministero federale dell’economia e della protezione del clima BMWK nell’ambito del progetto IGF 20933 N della Forschungsgesellschaft Stahlverformung eV tramite l’AiF nell’ambito del programma per la promozione della ricerca industriale congiunta (IGF) basato su una risoluzione del Bundestag tedesco.

 Si prevede una continuazione del progetto. Le aziende interessate possono partecipare al comitato di progetto del successivo progetto di ricerca “Ottimizzazione mirata dell’omogeneità e della flessibilità nel kit di costruzione delle polveri LPBF”. Il finanziamento del progetto deve essere richiesto nell’ambito del programma per la promozione della ricerca industriale congiunta (IGF) tramite la società di ricerca per la formatura dell’acciaio (FSV).


Informazioni sul Fraunhofer IFAM 
Il Fraunhofer IFAM è uno dei più importanti istituti di ricerca indipendenti in Europa nei settori della »Tecnologia e delle superfici di incollaggio« e dei »Materiali sagomati e funzionali«. In tutte e sei le sedi dell’istituto, l’attenzione è rivolta al lavoro di ricerca e sviluppo con l’obiettivo di fornire agli utenti industriali soluzioni affidabili e orientate all’applicazione.

Informazioni sull’IWM dell’Università RWTH di Aquisgrana
L’Istituto per le applicazioni dei materiali nell’ingegneria meccanica dell’Università RWTH di Aquisgrana, IWM, è stato creato nel 2006 dalla fusione dell’ex Istituto per la scienza dei materiali, IWK, l’Istituto per i componenti ceramici in ingegneria meccanica, IKKM, e l’area di insegnamento e ricerca Scienza dei materiali, LFW. Si occupa di un gran numero di materiali metallici e ceramici, del loro uso costruttivo adeguato al materiale e della caratterizzazione microstrutturale, frattografica e meccanica di questi materiali. 

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Di Fantasy

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