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3D Thin-Walled Ceramic and Ceramic-Metal Components using Electrolytic Plasma Processing

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Una tecnica al plasma produce componenti 3D flessibili

Una tecnica avanguardistica è in grado di produrre un materiale che combina la leggerezza e la stabilità della ceramica alla resistenza del metallo. Potrebbe portare benefici a settori nei quali i componenti devono funzionare in condizioni estreme, come i trasporti aerei e la medicina.

Ricerca di base

I plasmi tecnologici sono gas che contengono particelle cariche elettricamente, una caratteristica che aiuta ad attivare reazioni chimiche. Questi plasmi sono quindi spesso utilizzati per pulire, incidere o modificare superfici di materiali. «Volevamo compiere un passo avanti in quest’ambito», spiega il coordinatore del progetto 3D Cer-Met Allan Matthews, professore di ingegneria delle superfici e tribologia presso l’Università di Manchester nel Regno Unito. «Il nostro obiettivo in questo progetto era di utilizzare i plasmi per convertire metalli a parete sottile, come una lamina di alluminio, in fasi ceramiche. In pratica si traduce nella creazione di componenti 3D a parete sottile, che si comportano principalmente come ceramiche dal momento che sono leggeri e chimicamente stabili. Tuttavia, conservano la resistenza di un nucleo in metallo». Matthews confidava nel fatto che questo metodo potesse aprire la via allo sviluppo di nuovi prodotti nei settori più disparati, dai dispositivi medici ai componenti per aerei/automobili.

Componenti 3D flessibili

Il progetto 3D Cer-Met è stato lanciato nel gennaio 2019 per studiare il modo di realizzare questo processo. Si basa sul lavoro fondamentale svolto nel corso del progetto IMPUNEP, finanziato dal CER e incentrato sullo studio e l’uso dei processi basati sul plasma. «Questo progetto ha fatto compiere passi avanti alla ricerca», spiega Matthews. «Avevamo bisogno di sapere come controllare il processo, in modo tale che il tasso di crescita della nuova fase ceramica fosse uniforme su una superficie complessa tridimensionale». Il risultato non sarebbe stato possibile senza una comprensione profonda delle caratteristiche specifiche della conversione di metalli in ceramica. A tal scopo, il team di ricerca ha dovuto sviluppare nuovi metodi di ricerca. «Questo lavoro ci ha permesso di dimostrare la fattibilità del nostro approccio», spiega Matthews. «Abbiamo creato dei prototipi su scala di laboratorio dei compositi ceramica-metallo a forma complessa e parete sottile. Siamo anche arrivati a capire come replicare il processo e trasferirlo in nuove forme e materiali di supporto». Alla fine il team è stato in grado di dimostrare che la creazione di strati di ceramica uniformi sulle superfici di supporti metallici complessi era possibile.

Nuove possibilità ingegneristiche

Il vantaggio principale dell’approccio di 3D Cer-Met è che spalanca le possibilità di creare strutture a pareti sottili con forme complesse. Tali componenti sono altamente resistenti all’attacco da parte di composti acidici aggressivi e sono altamente tolleranti sia alle alte che alle basse temperature. «Ciò non sarebbe possibile usando le tecniche di lavorazione della ceramica convenzionali», aggiunge Matthews. La conoscenza raggiunta attraverso il progetto 3D Cer-Met ora sarà applicata per replicare la tecnologia su scala industriale. «Questo processo porterà grossi benefici ai settori della manifattura interessati a produrre e usare componenti in ceramica e ceramica-metallo con prestazioni strutturali e funzionali migliorate», spiega Matthews. «Attualmente stiamo cercando collaborazioni con partner industriali che desiderino implementare questi sviluppi tecnologici». Matthews ritiene che il prossimo passaggio logico sarebbe quello di svolgere ricerche non solo sulla replica sul piano industriale della tecnologia, ma anche su quello di renderla più versatile. Ciò significherebbe applicare la tecnologia a componenti più grandi, nonché ad altri supporti metallici. «Possiamo anche intravedere delle potenzialità nella digitalizzazione di questa tecnologia di produzione», aggiunge. «Il lavoro che abbiamo svolto, compresa la modellizzazione numerica e il controllo digitale del processo, pone delle solide basi per queste attività». In definitiva, Matthews confida che questo innovativo metodo di produzione diventi una risorsa utile in una gamma di future tecnologie di produzione, offrendo una soluzione ecocompatibile ed efficiente in termini di risorse.

Parole chiave

3D Cer-Met, ceramica, metallo, plasmi, alluminio, composito, supporti

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