Scienza e tecnica

Additive Manufacturing, nuova ricerca sulle proprietà delle polveri

Foto di Konstantin Kolosov da Pixabay
Uno studio specialistico svolto da Il Sentiero International Campus apre a scenari innovativi per le tecnologie di stampa 3D: in futuro, potrebbe essere possibile produrre componenti in acciaio utilizzando polveri con proprietà meno stringenti di quelle attuali e dunque ad un costo maggiormente competitivo per il mercato.

Il condizionale è ancora d’obbligo, perché il tema dovrà ora essere approfondito con altri studi specifici, ma una prima ricerca ha dato degli esiti incoraggianti.

In futuro, potrebbe essere possibile produrre componenti in acciaio, mediante Additive Manufacturing, utilizzando polveri con proprietà meno stringenti di quelle attuali e dunque ad un costo maggiormente competitivo per il mercato. Infatti, anche con queste condizioni, con ogni probabilità viene preservata la qualità del prodotto finale.

È la sintesi di quanto è emerso dalla ricerca “Polveri metalliche in acciaio inossidabile per Additive Manufacturing: produzione e caratterizzazione” svolta da Alessia Candeli, ricercatrice de Il Sentiero International Campus. Il lavoro, realizzato in collaborazione con l’azienda RINA, è stato presentato recentemente a Terni in occasione di “Steelmaster”, corso di alto livello per il “middle management” in siderurgia che intende fornire ai partecipanti gli strumenti e le metodologie per delineare un quadro completo della siderurgia a livello nazionale, europeo e mondiale.

Il momento della presentazione della ricerca sulla proprietà delle polveri per l'Additive Manufacturing
Alessia Candeli mentre presenta la ricerca sulla proprietà delle polveri per l’Additive Manufacturing.

La ricerca e le premesse

Alessia ha svolto uno studio delle proprietà di un acciaio inossidabile Austenitico AISI 316L processato mediante una particolare tecnologia di Additive Manufacturing (Powder Bed Laser Melting).

Alle polveri impiegate in questo processo si richiedono, generalmente, caratteristiche particolarmente stringenti in termini di composizione, granulometria, morfologia, porosità, proprietà termiche e superficiali, in quanto queste influiscono direttamente sulla qualità del prodotto finale.

Tali polveri vengono prodotte attraverso una particolare metodologia chiamata atomizzazione a gas da metallo fuso in atmosfera protettiva. Dal momento che gli atomizzatori sono di piccole dimensioni e in considerazione dell’utilizzo dell’atmosfera controllata, la produttività è bassa e di conseguenza i costi di produzione si mantengono alti.

Immagini al microsopio di alcune polveri sperimentali per l'Additive Manufacturingesaminate nel corso della ricerca.
Immagini al microsopio di alcune polveri sperimentali esaminate nel corso della ricerca.

Ecco perché Alessia ha provato a studiare delle polveri prodotte con tecniche alternative provenienti da processi produttivi più convenzionali ad alta produttività, e dunque meno costosi, caratterizzati da impiantistiche aperte con atmosfere di processo non controllate e pertanto contenenti ossigeno. Le caratteristiche di queste polveri sono state confrontate con quelle di polveri ottimizzate.

Poi, sia le polveri tradizionali che quelle alternative sono state utilizzate per la stampa di provini attraverso un sistema dotato di un laser a fibra.Questi sono stati esaminati dal punto di vista microstrutturale, meccanico e di comportamento alla corrosione. L’obiettivo era capire quanto le caratteristiche delle polveri influiscano sulle proprietà dei campioni finiti ed evidenziare il possibile effetto della presenza di ossigeno.

La stampante 3D per l'Additive Manufacturing utilizzata per la stampa dei provini.
La stampante 3D per l’Additive Manufacturing utilizzata per la stampa dei provini.

I risultati

Nonostante le analisi abbiano evidenziato qualche criticità, i dati ottenuti per le polveri sperimentali sono risultati promettenti.

In particolare è emerso che la composizione chimica è simile a quella di un acciaio 316L; seppur migliorabile, la distribuzione granulometrica è molto prossima a quella considerata ottimale per la tecnologia SLM (Selective Laser Melting); la densità dei componenti stampati risulta superiore a circa il 99.0 %; le proprietà meccaniche (resistenza meccanica e modulo elastico) sono comparabili a quelle delle polveri ottimizzate e, a volte superiori, a quelle di un acciaio prodotto con tecnologie tradizionali; il comportamento medio a corrosione dei campioni lappati (con particolare riferimento all’andamento delle curve) è simile a quello di un acciaio tradizionale.

caratterizzazione materiali
Un test di caratterizzazione meccanica dei materiali.

«I risultati ottenuti sono sicuramente incoraggianti –spiega Alessia-. Estendere, nei processi AM, la possibilità di impiego di polveri con un livello qualitativo inferiore a quello oggi richiesto, consentirebbe di abbattere in maniera significativa il prezzo delle polveri con conseguente abbassamento dei costi di produzione di componenti AM. In questo modo questa tecnologia potrebbe essere significativamente concorrenziale anche in termini di costi alle tecnologie di manufacturing convenzionali. Ritengo che i prossimi sviluppi della ricerca debbano indagare più approfonditamente le caratteristiche delle polveri sperimentali e dei campioni da esse ottenuti al fine di minimizzare le criticità riscontrate. Studi ulteriori dovranno stabilire come ottimizzare il processo di produzione delle polveri e di stampa con lo scopo di migliorare/massimizzare le proprietà dei componenti»