Nuovo metodo di stampa 3D costruisce strutture con due metalli
Prendendo spunto dalla complessità strutturale degli alberi e delle ossa, gli ingegneri della Washington State University hanno creato un modo per stampare in 3D due tipi di acciaio nello stesso strato circolare utilizzando due saldatrici. Il materiale bimetallico risultante si è dimostrato più resistente del 33% al 42% rispetto ai singoli metalli, grazie anche alla pressione generata tra i metalli durante il loro raffreddamento.
Il nuovo metodo utilizza attrezzature comuni e relativamente economiche, quindi i produttori e le officine di riparazione potrebbero utilizzarlo nel breve termine. Con ulteriori sviluppi, potrebbe essere utilizzato per la produzione di impianti medici ad alte prestazioni o addirittura per parti destinate ai viaggi spaziali, ha affermato Amit Bandyopadhyay, autore principale dello studio pubblicato sulla rivista Nature Communications.
“Ha applicazioni molto ampie perché qualsiasi luogo che esegue saldature può ora ampliare i suoi concetti di progettazione o trovare applicazioni in cui possono combinare quasi simultaneamente un materiale molto duro e un materiale morbido”, ha detto Bandyopadhyay, professore presso la School of Mechanical and Materials Engineering della WSU.
Il team di ricerca ha preso spunto dalla natura, osservando che alberi e ossa ottengono la loro resistenza grazie all’interazione tra anelli stratificati di materiali diversi. Per imitare ciò con i metalli, i ricercatori della WSU hanno utilizzato attrezzature di saldatura comuni nei negozi automobilistici e di macchine, integrate all’interno di una macchina a controllo numerico o CNC. Il nuovo sistema ibrido crea parti utilizzando una precisa programmazione informatica e due saldatrici.
In una dimostrazione, le due saldatrici hanno lavorato una dopo l’altra su uno strato circolare per stampare due metalli, ognuno con vantaggi specifici. È stato creato un nucleo interno di acciaio inossidabile resistente alla corrosione all’interno di un involucro esterno di acciaio “mild” più economico, simile a quello utilizzato nei ponti o nelle ferrovie. Poiché i metalli si contraggono a diverse velocità durante il raffreddamento, si è creata una pressione interna che ha essenzialmente fissato i metalli insieme. I test effettuati sul risultato hanno mostrato una resistenza superiore sia all’acciaio inossidabile che all’acciaio “mild” presi singolarmente.
Attualmente, la stampa 3D con metalli multipli in una configurazione di saldatura richiede una pausa per cambiare i fili metallici. Il nuovo metodo elimina questa interruzione e permette di posizionare due o più metalli nello stesso strato mentre i metalli sono ancora caldi.
“Questo metodo deposita i metalli in un cerchio anziché solo in una linea. In questo modo, si allontana fondamentalmente da ciò che era possibile prima”, ha detto Lile Squires, dottoranda in ingegneria meccanica presso la WSU e prima autrice dello studio. “Andare in cerchio permette essenzialmente a un materiale di abbracciare l’altro materiale, cosa che non può accadere durante la stampa in una linea retta o in strati sovrapposti”.
La capacità di rinforzare parti metalliche stampate in 3D strato dopo strato potrebbe offrire presto nuove opzioni alle officine automobilistiche, consentendo loro di creare rapidamente parti in acciaio resistenti e personalizzate. Ad esempio, alberi di trasmissione bimetallici resistenti alla torsione o dischi freno ad alte prestazioni ed economici potrebbero essere sviluppati.
In futuro, i ricercatori vedono il potenziale per processi di produzione medica che stampino sostituzioni articolari con titanio resistente all’esterno e un materiale interno come l’acciaio magnetico con proprietà curative. Allo stesso modo, le strutture nello spazio potrebbero avere un materiale resistente alle alte temperature che circonda un materiale interno con proprietà di raffreddamento per aiutare la struttura a mantenere una temperatura costante.
“Questo concetto prevede che le saldatrici stampino, quindi possiamo utilizzare più materiali nello stesso strato, creando vantaggi mentre si combinano”, ha detto Bandyopadhyay. “E non si limita solo a due materiali, può essere ampliato”. I ricercatori e la WSU hanno presentato una domanda di brevetto provvisoria per questo sviluppo. Oltre a Bandyopadhyay e Squires, il team di ricerca include Ethan Roberts, uno studente di ingegneria meccanica presso la WSU, come secondo autore. Questa ricerca ha ricevuto il sostegno della National Science Foundation.
