Nuove possibilità per la stampa 3D grazie a innovativi giunti multimetallici
La produzione additiva (AM, additive manufacturing) dei metalli, comunemente nota come stampa 3D, si trova da sempre dinanzi a una sfida da superare, causata dal fatto che, in genere, si basa su un unico materiale dal processo iniziale a quello finale. Sebbene i materiali uniformi funzionino efficacemente per i componenti di base, spesso non soddisfano esigenze complesse, come quella di garantire il bilanciamento tra resistenza al calore estremo, flessibilità e resistenza meccanica, il tutto nell’ambito di un unico componente. Numerose leghe ad alte prestazioni sono soggette a crepe durante la stampa a causa delle sollecitazioni termiche indotte dal processo, un problema che si aggrava se due o più materiali vengono combinati in un unico componente tramite l’AM. Di conseguenza, sono stati sviluppati multimateriali per l’AM attraverso costosi processi basati su tentativi ed errori, in quanto non esistevano strumenti di progettazione, standard di qualificazione o alcuna tecnica che consentisse di riciclare le polveri metalliche miste. Questa esigenza era particolarmente evidente in settori quali l’automobilistico, l’aerospaziale e l’energetico, dove le richieste di leggerezza, prestazioni ed efficienza stanno crescendo molto rapidamente, più di quanto possano stare al passo i componenti monomateriale per l’AM.
Progressi nell’AM multimateriale
Il progetto MADE-3D(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha affrontato questa sfida mediante lo sviluppo di processi di produzione efficienti, sostenibili e flessibili in grado di soddisfare la crescente domanda di componenti complessi, dotati di proprietà specifiche. Il team del progetto ha realizzato una serie di innovativi giunti multimateriale che sono stati testati e collaudati in contesti industriali reali e, anziché basarsi su un approccio per tentativi ed errori, sono stati creati tramite l’impiego di modelli computazionali avanzati e dell’apprendimento automatico. In una prima mondiale, MADE-3D ha stampato con successo in 3D giunti in nichel-titanio al fine di trovare una soluzione leggera per la realizzazione di ugelli di razzi in grado di sopportare calore estremo, mantenendo al contempo la loro resistenza strutturale. I ricercatori sono riusciti a fondere l’Inconel 718 e il Ti6Al4V, due metalli aerospaziali ad alta tecnologia, senza difetti, una combinazione che è stata testata e convalidata con successo utilizzando componenti reali a grandezza naturale. «Questa coppia di materiali è tra le più soggette a crepe nell’AM, e il risultato è considerato una novità scientifica», commenta Dennis Lehnert, coordinatore del progetto e ricercatore associato presso l’Università di Paderborn, in Germania. «Abbiamo conseguito una riduzione di peso di circa il 40% rispetto a un ugello monomateriale, un traguardo di significativa importanza.» Il peso fa la differenza: nel settore aerospaziale e in quello aeronautico esso determina la quantità di carburante consumata e il volume delle emissioni prodotte, mentre nell’industria dell’aviazione componenti più leggeri nei motori e nei sistemi di propulsione permetto di limitare il consumo di carburante in ogni volo, il che si traduce in un notevole risparmio di CO₂ nel corso della vita utile di un aeromobile, che si protrae per decenni.
Allinearsi con gli obiettivi di sostenibilità e resilienza dell’UE
Le innovazioni tecnologiche migliorano le prestazioni, l’affidabilità e la sostenibilità dell’AM, rendendola più attraente per l’industria. La competitività europea riceve un forte impulso grazie alla disponibilità di componenti più leggeri, resistenti ed efficienti, che riducono lo spreco di materiale e diminuiscono l’impatto ambientale della produzione. «MADE-3D dimostra che l’AM multimateriale può contribuire direttamente alla decarbonizzazione del trasporto aereo e spaziale», aggiunge Lehnert. A tal fine, il progetto sostiene gli obiettivi fissati dal Green Deal europeo e in ambito di economia circolare(si apre in una nuova finestra) con un’enfasi sul riciclaggio e sulla sostenibilità, stabilendo inoltre nuovi standard nella produzione digitale e collocando in questo modo l’UE in una posizione di leader globale nel campo dell’AM. «MADE-3D ha trasformato la stampa 3D metallica multimateriale da un approccio sperimentale, basato su tentativi ed errori, a una disciplina ingegneristica predittiva», dichiara Lehnert, che conclude: «Il progetto ha creato un quadro completo che guida lo sviluppo di nuovi materiali e componenti, dalla progettazione computazionale delle leghe e l’ottimizzazione dei processi fino alle linee guida di progettazione, passando per la qualificazione e il riciclaggio, consentendo in tal modo di realizzare le future applicazioni multimateriale in modo più rapido, più affidabile e con un minore sforzo a livello sperimentale.»
