Gli ultrasuoni per leghe stampate in 3D con proprietà superiori

Todaro et al. Nat. Commun. (2019)

di Sara Bagherifard

I ricercatori della RMIT University di Melbourne, in Australia, hanno sviluppato un processo usando vibrazioni con frequenze ultrasonore per migliorare la microstruttura delle leghe metalliche durante la manifattura additiva (AM). In particolare, usando tali vibrazioni si è riusciti a controllare il processo di solidificazione della lega durante la stampa additiva ed ottenere, al posto di una struttura colonnare, in genere indesiderata per l’anisotropia delle proprietà che comporta e caratteristica dell’AM dei metalli, una microstruttura equiassiale e proprietà meccaniche migliori rispetto agli usuali processi di stampa 3D delle leghe metalliche. Questa svolta potrebbe portare a dispositivi ad ultrasuoni progettati e realizzati su misura per la manifattura additiva di questi materiali.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, ha considerato e analizzato il modo migliore per controllare le strutture granulari all’interno dei metalli stampati in 3D, in particolare per parti strutturali ad alta resistenza. L’approccio ultrasuoni è stato testato positivamente su due leghe: la prima, Ti6Al4V, è una lega di titanio utilizzata nella produzione di aeromobili e impianti biomeccanici, la seconda, Inconel 625, è una superlega a base di nichel utilizzata nelle industrie marittime e petrolifere. Si spera, scrivono gli autori, che tale approccio possa essere sperimentato e validato anche su altre leghe, e che gli ultrasuoni possano essere utilizzati per controllare la microstruttura e, quindi, le proprietà di un gran numero di leghe metalliche di interesse a livello industriale, per la costruzione di parti strutturali ad alte prestazioni o per la definizione di leghe con proprietà strutturali superiori.

La struttura microscopica delle leghe stampate in 3D, infatti, di solito comprende cristalli grandi e allungati che possono non essere adatti per applicazioni ingegneristiche a causa delle prestazioni meccaniche ridotte e della tendenza alla formazione delle cricche durante la stampa. In questo caso, invece, la struttura microscopica delle leghe appare marcatamente diversa, con i cristalli di lega molto sottili e, come poc’anzi accennato completamente equiassici, che si formano ugualmente in tutte le direzioni mentre la parte metallica viene stampata (Figura 1). I pezzi così ottenuti hanno dimostrato un miglioramento del 12% del carico di rottura e dello sforzo di snervamento rispetto a quelli prodotti in modo convenzionale. Inoltre, accendendo e spegnendo il generatore di ultrasuoni durante il processo di stampa, parti specifiche di un oggetto stampato in 3D potrebbero anche essere fabbricate con diverse strutture e composizioni microscopiche, creando un gradiente modulabile che potrebbe servire a funzionalizzare il prodotto.

Questo lavoro rappresenta una strada innovativa per consentire la formazione di microstrutture a grano fine e di dimensioni uniformi durante la stampa 3D di metalli che non si basa sulla modifica della chimica della lega o sull’introduzione di nuove particelle o inclusioni estranee nei metalli stampati e che è scalabile a livello industriale   per consentire la stampa 3D di leghe commerciali, tra cui leghe di alluminio, acciai inossidabili e leghe di cobalto, per applicazioni di alto valore.