Un team di ricercatori della Cornell University ha sviluppato un metodo innovativo per controllare le microstrutture dei metalli durante il processo di stampa 3D. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, evidenzia come sia possibile personalizzare la composizione delle leghe per migliorare le proprietà meccaniche dei componenti prodotti con tecniche di manifattura additiva.
Una sfida nella stampa 3D dei metalli
Uno dei principali ostacoli nella produzione additiva di metalli è la formazione di strutture granulari colonnari che possono compromettere la resistenza del materiale in alcune direzioni. Secondo Atieh Moridi, professore associato alla Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering della Cornell Engineering, “la maggior parte dei materiali stampati sviluppa strutture colonnari, il che può rendere il materiale meno resistente in determinate direzioni. Abbiamo scoperto che, modificando la composizione delle leghe, possiamo interrompere questa tendenza e ottenere un materiale più omogeneo.”
Osservazione delle microstrutture con tecnologie avanzate
Il rapido processo di solidificazione che avviene durante la stampa 3D rende difficile studiare la formazione delle microstrutture. Tuttavia, grazie alla sorgente di sincrotrone ad alta energia della Cornell, il team è riuscito a monitorare i cambiamenti microstrutturali in tempi estremamente ridotti, nell’ordine di frazioni di secondo. Durante questi esperimenti è stata individuata una fase intermedia che impedisce la crescita delle strutture granulari colonnari, favorendo una distribuzione più uniforme della microstruttura.
“Le caratteristiche microstrutturali, come la dimensione dei grani, sono elementi chiave che influenzano le proprietà e le prestazioni del materiale”, ha spiegato Moridi. “Abbiamo compreso che la stabilità di fase, controllata dalla composizione del materiale, è fondamentale per gestire la formazione della microstruttura.”
Un nuovo approccio alla selezione delle leghe metalliche
Un aspetto critico della ricerca è stato l’analisi dei brevissimi istanti in cui il materiale passa dallo stato liquido a quello solido. Akane Wakai, autrice principale dello studio e Ph.D. presso la Cornell, ha sottolineato l’importanza di catturare questi momenti fugaci per comprendere meglio i meccanismi di formazione delle microstrutture.
Nel lungo termine, questi risultati potrebbero avere un impatto significativo sulla selezione delle leghe metalliche più adatte alla stampa 3D. Secondo Wakai, “le conoscenze acquisite in questo studio potranno essere applicate per sviluppare materiali più affidabili, migliorando le prestazioni delle parti metalliche stampate in 3D. Potremmo vedere questi progressi anche in prodotti di largo consumo, come automobili e dispositivi elettronici.”
Vantaggi della produzione additiva
Oltre ai miglioramenti nelle proprietà meccaniche dei materiali, i metodi di produzione additiva offrono numerosi benefici, tra cui una riduzione dei tempi di produzione, un minor consumo di materie prime e la possibilità di realizzare geometrie complesse che sarebbero difficilmente ottenibili con tecniche di produzione convenzionali.
Lo studio è stato condotto in collaborazione con la NASA e l’Università di Pittsburgh, con il supporto del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, della National Science Foundation e della NASA stessa. Grazie a queste ricerche, la stampa 3D dei metalli potrebbe consolidarsi sempre di più come una tecnologia chiave per la produzione industriale.
