La tecnologia di fusione a fascio di elettroni spicca il volo
L’industria aerospaziale è stata una delle prime a sostenere la stampa 3D in metallo. In meno di un decennio, la tecnologia è diventata parte integrante del processo di produzione. Le leghe metalliche stampate in 3D riescono a sopravvivere alle alte velocità e ad ambienti estremamente caldi, il tutto ottimizzando il rapporto resistenza-peso del velivolo. Ad oggi, nel settore aerospaziale la stampa 3D in metallo è stata principalmente associata alla fusione laser selettiva, ma alternative più promettenti quali l’EBM stanno arrivando sulla scena. Arcam EBM, azienda fornitrice di soluzioni per la produzione di additivi metallici, è nota per la sua innovativa tecnologia EBM, che offre libertà di progettazione, eccellenti proprietà dei materiali e capacità di accatastamento. Grazie al finanziamento UE del progetto EBMPerform, l’azienda svedese sta revisionando le fonti dei fasci di elettroni e migliorando il software di stampa 3D delle sue macchine EBM, per soddisfare al meglio le esigenze del mercato aerospaziale. L’obiettivo finale è quello di produrre in serie componenti metallici stampati in 3D affidabili, in grado di resistere al calore intenso e a pressioni elevate.
La differenza di EBM: mantenere le alte temperature
Nel processo brevettato di Arcam, i componenti in metallo vengono costruiti strato per strato a partire da polveri metalliche che vengono fuse da un potente fascio di elettroni, secondo le esatte specifiche di un modello di progettazione assistito da computer. Il fascio di elettroni è gestito da bobine elettromagnetiche che forniscono un controllo del fascio estremamente rapido e accurato che consente di mantenere simultaneamente più bagni fusi (fino a 70) senza compromettere la finitura superficiale e la precisione. Il processo si svolge nel vuoto ad alte temperature, il che si traduce in componenti privi di sollecitazioni con proprietà del materiale superiori alla fusione e paragonabili ai metalli lavorati. Per ogni strato nella costruzione, il raggio riscalda l’intero letto di polvere a una temperatura ottimale specifica per il materiale utilizzato. Ciò consente agli ingegneri di produrre componenti densi e privi di vuoti. Elimina inoltre la necessità di metodi di post-lavorazione quali il trattamento termico, che ha un impatto significativo sui costi di produzione totali. «Una caratteristica distintiva della nostra tecnologia EBM migliorata sarà la capacità di mantenere l’intera struttura a temperature molto elevate, oltre i 1 000 °C, per applicazioni impegnative proprio come quelle aerospaziali», afferma il dott. Anders Snis, responsabile del gruppo di ricerca che sviluppa nuove strategie di processo e materiali. «Attualmente stiamo lavorando su modelli migliorati per il controllo del processo di fusione e modelli di calore migliorati per gestire la distribuzione del calore nella struttura. In definitiva, questi ci aiuteranno anche a produrre componenti stampati in 3D più complessi». Costruire a temperature elevate superiori ai 1 000 °C offre opportunità uniche ai componenti di velivoli con stampa 3D che si basano su materiali soggetti a crepe. «Ad esempio, gli ingegneri aeronautici sono in grado di produrre in modo additivo pale di turbine per motori a reazione utilizzando alluminuro di titanio (TiAl) e altre leghe di alta gamma. Sebbene siano soggetti a rotture, questi materiali sono particolarmente noti per la loro forza e resistenza al calore», aggiunge il dott. Snis. A partire dal 2019, EBM è l’unica soluzione commerciale di produzione additiva per la produzione di componenti in TiAl leggeri.
Risultati previsti
Per ottimizzare la tecnologia EBM i ricercatori stanno lavorando su diversi fronti: nuovi tipi di sorgenti di fasci di elettroni, autocalibrazione ad alta precisione, piattaforme software nuove o migliorate ed elettronica per un controllo efficiente e accurato del fascio. Per quanto riguarda l’hardware, i nuovi sistemi dovrebbero essere più robusti, con una durata più lunga e la capacità di produrre componenti a partire da materiali diversi. Il miglioramento della tecnologia EBM andrà a beneficio di applicazioni impegnative, quali pale di turbine e componenti aerospaziali strutturali, che devono soddisfare i più elevati standard di materiale.
Parole chiave
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