Che cos'è il metallo in polvere per la produzione additiva?

Nell'odierna rivoluzione manifatturiera, il Polveri metalliche per la produzione additiva è diventata una forza fondamentale per il progresso tecnologico. Dal settore aerospaziale ai dispositivi medici, fino ai componenti industriali ad alte prestazioni, le polveri metalliche non sono solo materiali, ma anche una fonte di innovazione. Rispetto ai metodi di lavorazione tradizionali, le polveri metalliche combinate con la tecnologia di produzione additiva offrono una libertà di progettazione, un utilizzo dei materiali e una controllabilità delle prestazioni senza precedenti. Questo articolo vi darà un'idea di cosa sono le polveri metalliche, di come vengono prodotte e del ruolo centrale che svolgono nella produzione additiva, dal principio all'applicazione, dal materiale al futuro.

Che cos'è il metallo in polvere?

Spesso diciamo "polvere di metallo", o il termine più specialistico "polvere di metallo", in realtà si riferisce a quei materiali composti da particelle metalliche estremamente piccole. Queste particelle possono avere una dimensione di un micron e sono quasi indistinguibili a occhio nudo. Immaginate di macinare un pezzo di metallo duro fino a ridurlo a una polvere più fine della sabbia: probabilmente è questo il significato. È la pietra miliare del processo di metallurgia delle polveri e una materia prima fondamentale per la fabbricazione additiva di cui parliamo oggi.

Rispetto ai tradizionali processi di fusione e forgiatura, la metallurgia delle polveri presenta vantaggi unici. Ad esempio, è in grado di produrre pezzi con forme estremamente complesse e requisiti di alta precisione; inoltre, il tasso di utilizzo del materiale è molto elevato, con una notevole riduzione degli scarti. Questo rappresenta senza dubbio un enorme miglioramento nel controllo dei costi e nello sviluppo sostenibile.

Composizione e classificazione delle polveri metalliche

Esistono molti tipi di polveri metalliche, che possiamo semplicemente dividere in diverse categorie:

• Polvere di metallo puroQuesto tipo di polvere è composto principalmente da un singolo metallo puro, come la comune polvere di ferro, la polvere di rame, la polvere di alluminio e così via. Ognuno di essi conserva le caratteristiche intrinseche dei metalli puri ed è adatto ad applicazioni che richiedono specifiche proprietà di un singolo metallo.
• Lega in polvere: La polvere di lega si ottiene mescolando o fondendo due o più elementi metallici in un rapporto specifico. Selezionando abilmente i diversi elementi metallici e le loro proporzioni, possiamo preparare polveri di lega con diverse proprietà eccellenti, come l'alta resistenza, la resistenza alla corrosione, la resistenza alle alte temperature e così via. Si può dire che le polveri di lega ci hanno aperto le porte alla personalizzazione delle proprietà dei materiali.
  • Polveri pre-legate contro polveri miste: Tra le polveri legate, si distinguono anche le polveri pre-legate e le polveri miste. Le polveri pre-legate sono preparate fondendo insieme vari elementi per formare una lega e poi producendo polvere; mentre le polveri miste sono prodotte mescolando in proporzione diverse polveri di metalli puri. Nelle applicazioni pratiche, le proprietà delle polveri pre-legate sono solitamente più stabili e uniformi.

Perché la polvere di metallo è così importante

Qualcuno potrebbe chiedersi: perché il metallo in polvere? In questo caso si partirà dal suo punto di vista unico. Il motivo principale per cui la polvere di metallo svolge un ruolo indispensabile nella fabbricazione additiva è rappresentato dalle sue proprietà fisiche e chimiche uniche:

1. Alta superficie specifica: Più piccola è la particella, maggiore è l'area superficiale complessiva. In questo modo, la polvere di metallo si diffonde e si combina più facilmente durante il processo di sinterizzazione, formando un pezzo denso.
2. Libertà di forma: Questo è un vantaggio fondamentale della fabbricazione additiva. Controllando con precisione l'accumulo e la fusione della polvere, possiamo "stampare" qualsiasi struttura complessa che non sia alla portata dei processi produttivi tradizionali.
3. Diversità dei materiali: Che si tratti di un metallo puro o di una varietà di leghe ad alte prestazioni, può essere applicato alla fabbricazione additiva sotto forma di polvere, ampliando così notevolmente la gamma di materiali tra cui scegliere.
4. Controllabilità delle prestazioni: Regolando la dimensione delle particelle, la morfologia, la composizione della polvere e i successivi parametri di processo, possiamo controllare con precisione la microstruttura e le proprietà macroscopiche del pezzo finale.

A mio parere, la polvere di metallo non è solo una materia prima, ma anche un ponte che collega la progettazione e la realizzazione, e le ali della tecnologia di produzione additiva per decollare. Senza queste sottili particelle di metallo, ciò che vediamo oggi

Produzione di polveri metalliche di alta qualità

Il principale metodo di preparazione della polvere metallica

La produzione di polveri metalliche di alta qualità, in particolare quelle adatte alla produzione additiva, non è un compito semplice. Esistono diversi metodi tradizionali sul mercato, ognuno con i propri principi e scenari applicabili.

• Atomizzazione: Non c'è dubbio che l'atomizzazione sia il metodo ottimale per la produzione additiva di polveri metalliche. L'idea di base è semplice: trasformare il metallo fuso in minuscole goccioline, per poi farle solidificare in polvere durante il processo di raffreddamento.
  • Atomizzazione del gas: A mio parere, questo è attualmente il metodo più maturo e diffuso. Il principio è che il gas inerte ad alta pressione (come l'argon o l'azoto) viene utilizzato per colpire il flusso di metallo fuso ad alta velocità e disperdere il metallo in goccioline molto piccole. Queste goccioline si raffreddano rapidamente e si solidificano nel gas, formando infine una polvere con un'ottima sfericità. I vantaggi della polvere atomizzata con gas sono evidenti: la sfericità è buona, il che significa che la polvere ha un'eccellente fluidità e che è possibile formare uno strato di polvere uniforme e denso quando la polvere viene sparsa; la purezza è elevata e l'atmosfera inerte evita efficacemente l'introduzione di impurità come l'ossidazione. In molti anni di esperienza, sia che si tratti di SLM (Selective Laser Melting) o di EBM (Electron Beam Melting), la polvere atomizzata con gas è la prima scelta. La sua stabilità e controllabilità sono la chiave per garantire la qualità di stampa.
  • Atomizzazione dell'acqua: A differenza dell'atomizzazione a gas, l'atomizzazione ad acqua utilizza un flusso d'acqua ad alta pressione per rompere il metallo fuso. Con questo metodo si ottengono solitamente polveri di forma irregolare. Sebbene non abbia la stessa fluidità di una polvere sferica, è relativamente poco costosa da produrre e ha ancora un valore in alcune applicazioni, come il binder jetting, che richiedono un'elevata superficie specifica o una forma particolare. Tuttavia, per il nostro processo SLM/EBM tradizionale, la polvere atomizzata con acqua non è sufficiente.
• Metodo dell'elettrolisi: Questo metodo deposita i metalli principalmente mediante elettrolizzazione di soluzioni contenenti sali metallici. Può produrre polvere di elevata purezza, ma di solito la forma della polvere è irregolare e le dimensioni delle particelle sono grossolane. A mio parere, anche se l'elettrolisi ha il suo posto nel campo della metallurgia delle polveri tradizionale, la sua applicazione nella fabbricazione additiva è relativamente limitata ed è più che altro un supplemento alla preparazione di alcune polveri di leghe speciali.
• Metodo di riduzione: Il metodo di riduzione consiste principalmente nel ridurre l'ossido di metallo in polvere metallica con un agente riducente (come idrogeno, carbonio) ad alta temperatura. La polvere prodotta con questo metodo è solitamente spugnosa o irregolare, con un'elevata porosità e una distribuzione delle dimensioni delle particelle relativamente ampia. Nella fabbricazione additiva, la polvere ridotta non è il metodo principale, perché è difficile soddisfare i nostri severi requisiti di morfologia e fluidità della polvere.

Effetto delle proprietà della polvere sulla produzione additiva

La qualità della polvere determina il limite superiore del pezzo stampato.

• Morfologia delle particelle: Il polvere sferica ha un'eccellente fluidità, che può garantire la formazione di uno strato di polvere uniforme e denso durante il processo di diffusione della polvere, riducendo vuoti e difetti. Questo aspetto è direttamente correlato alla densità e alle proprietà meccaniche dei pezzi stampati. Una polvere irregolare riduce notevolmente la fluidità, causando una diffusione non uniforme della polvere e può persino bloccare il sistema di alimentazione della polvere, cosa che cerchiamo di evitare. Anche la densità della polvere è strettamente correlata alla morfologia. Una densità maggiore significa che è possibile ospitare più metallo nello stesso volume, il che ha un effetto positivo sul miglioramento dell'efficienza di stampa e della densità dei pezzi.
• Distribuzione dimensionale delle particelle: La distribuzione delle dimensioni delle particelle influisce sullo spessore dello strato durante la stampa e sulla finitura superficiale del pezzo finale. Una polvere troppo grossolana può limitare lo spessore minimo dello strato che possiamo stampare e compromettere l'espressività dei dettagli. Una polvere troppo fine, anche se favorisce la finitura della superficie, può essere facilmente dispersa nel fascio laser o elettronico e compromettere la stabilità della formatura. Pertanto, un dimensioni ottimizzate e ridotte delle particelle La distribuzione è il nostro stato ideale, che può tenere conto dell'uniformità della diffusione della polvere, della stabilità della stampa e della qualità della superficie del pezzo.
• Composizione chimica e purezza: questo aspetto non può essere sottolineato a sufficienza. La composizione chimica della polvere determina direttamente le proprietà del materiale del pezzo finale, come la forza, la durezza, la resistenza alla corrosione e così via. Qualsiasi piccola deviazione nella composizione può portare a prestazioni inferiori a quelle del pezzo. Alta purezza è l'indice di difficoltà della produzione additiva, gli elementi di impurità, in particolare le inclusioni non metalliche, diventeranno il punto di concentrazione delle sollecitazioni all'interno del pezzo, causando cricche e compromettendo seriamente la durata a fatica. Questo è il legame che incontro più spesso nel progetto e che deve essere rigorosamente controllato.
• Controllo del contenuto di ossigeno: in particolare per citare il contenuto di ossigeno. A mio parere, controllo del contenuto di ossigeno è una delle caratteristiche più critiche delle polveri metalliche per la produzione additiva. Le polveri metalliche possono ossidarsi a contatto con l'aria durante la produzione, il trasporto, lo stoccaggio e persino la stampa. Un contenuto eccessivo di ossigeno non solo riduce la fluidità della polvere, ma forma anche inclusioni di ossido durante il processo di stampa, che indeboliscono seriamente le proprietà meccaniche delle parti, in particolare la plasticità e la tenacità. Per alcuni metalli attivi, come le leghe di titanio, è necessario controllare il contenuto di ossigeno a un livello molto basso. Pertanto, il monitoraggio e la protezione del contenuto di ossigeno dalla produzione all'utilizzo sono la chiave del successo della produzione additiva.

Il ruolo delle polveri metalliche specifiche nella fabbricazione additiva

Nel mondo della produzione additiva, la polvere di metallo è senza dubbio il "materiale da costruzione" principale. Di solito diciamo "polvere d'acciaio" o "polvere d'acciaio", in realtà, copre molti tipi diversi, ognuno dei quali ha le sue proprietà e applicazioni uniche.

Parliamo di polvere di acciaio inossidabile prima. A mio parere, questa è una delle polveri più utilizzate. Ad esempio, Polvere di acciaio inossidabile 316L ha un'ottima resistenza alla corrosione, un'elevata precisione dei pezzi stampati e una buona finitura superficiale. Pertanto, nel settore aerospaziale, in alcune parti strutturali che richiedono resistenza alla corrosione e nei dispositivi medici, come gli strumenti chirurgici o alcuni impianti, il 316L ha dato buoni risultati. Un altro materiale comunemente utilizzato è Polvere di acciaio inossidabile 17-4PH, che può raggiungere un'elevata resistenza e durezza dopo il trattamento termico, mantenendo al contempo un certo grado di resistenza alla corrosione, per cui lo utilizziamo spesso in alcuni componenti ad alte prestazioni.

Segue polvere di acciaio per utensili. Quando è necessario realizzare uno stampo o alcune parti soggette a usura, la polvere di acciaio per utensili è particolarmente importante. Questo tipo di parti stampate in polvere, grazie alla sua elevata durezza e all'eccellente resistenza all'usura, è difficilmente eguagliabile dal processo di produzione tradizionale. Immaginate quanto fosse difficile in passato formare uno stampo a iniezione con una struttura complessa attraverso la produzione additiva. C'è anche polvere di acciaio ad alta velocità. Sebbene non sia così diffuso come l'acciaio inossidabile, occupa comunque un posto di rilievo nella produzione di utensili da taglio. Permette all'utensile di mantenere la durezza e l'affilatura durante il taglio ad alta velocità e di migliorare l'efficienza della lavorazione.

Oltre a queste, naturalmente, ci sono altre polveri metalliche fondamentali, che svolgono un ruolo insostituibile nei rispettivi settori:

• Polvere di lega di titanio: Se esiste un materiale in grado di combinare perfettamente biocompatibilità, elevata resistenza e leggerezza, questo deve essere la lega di titanio. Negli impianti medici, come quelli ortopedici e dentali, la polvere di lega di titanio è la prima scelta. Allo stesso tempo, nel settore aerospaziale, le sue caratteristiche di leggerezza sono essenziali per ridurre il peso degli aerei e migliorare le prestazioni.
• Polvere di superleghe a base di nichel: Si tratta di un materiale specificamente progettato per gli ambienti ad alta temperatura. Nei componenti delle turbine a gas, come le pale delle turbine e i componenti della camera di combustione, le parti stampate in polvere di superleghe a base di nichel possono sopportare temperature e sollecitazioni estremamente elevate, mantenendo un'eccellente resistenza alla corrosione. Ciò è di grande importanza per migliorare l'efficienza e la durata dei motori.
• Polvere di lega di alluminioLa leggerezza è l'eterna ricerca dell'industria moderna e la polvere di lega di alluminio è senza dubbio una spinta importante su questa strada. Nell'industria automobilistica e aerospaziale, la polvere di lega di alluminio offre una grande libertà di progettazione per le parti strutturali con elevati requisiti di leggerezza.

Guardando al futuro, la direzione di sviluppo delle polveri metalliche per la fabbricazione additiva sta diventando sempre più varia. Abbiamo visto l'applicazione di polveri compositeche combinano i vantaggi di due o più materiali per creare materiali con prestazioni superiori. Inoltre, il polvere di materiale a gradiente funzionale ha anche la possibilità di realizzare diverse aree del pezzo con diverse proprietà del materiale, in modo da ottenere funzioni più complesse e ottimizzate.

Vantaggi della metallurgia delle polveri nell'era della produzione additiva

L'ascesa della produzione additiva ha indubbiamente portato nuova vitalità alla tecnologia tradizionale della metallurgia delle polveri. Quando si parla di manifattura additiva, infatti, molto spesso si parla dell'ampio campo di applicazione della metallurgia delle polveri. La combinazione delle due cose, i vantaggi sono sovversivi:

Precisione e complessità:

Questa è una delle caratteristiche più evidenti della produzione additiva, il cui motore è la polvere di metallo. I processi di produzione tradizionali, come la fusione, la forgiatura o la lavorazione, sono spesso inadeguati o addirittura impossibili da produrre parti con strutture interne complesse, geometrie bioniche o microcanali. Con la produzione additiva, invece, possiamo stampare con precisione ogni pixel di un modello 3D.

Immaginate parti strutturali che richiedono leggerezza e alte prestazioni nel settore aerospaziale, o impianti che devono adattarsi perfettamente al corpo umano nel settore medico. La loro libertà di progettazione è infinitamente amplificata dalla combinazione di metallurgia delle polveri e produzione additiva. Ricordo che una volta abbiamo stampato con successo una pala di turbina con complessi canali di raffreddamento all'interno, cosa quasi impossibile in passato.

Elevato utilizzo del materiale:

La produzione sottrattiva tradizionale genera una grande quantità di trucioli e scarti, soprattutto quando si lavorano materiali costosi o difficili da lavorare, e i costi dei materiali possono aumentare notevolmente. La fabbricazione additiva, invece, consiste nell'aggiunta di materiale e il suo principio di base è quello di fondere o sinterizzare la polvere su richiesta, riducendo così in modo significativo gli scarti di materiale.

Le polveri metalliche inutilizzate possono essere riciclate, il che non solo riduce i costi di produzione, ma risponde anche all'attuale obiettivo globale di sviluppo sostenibile. Il vantaggio di un elevato utilizzo dei materiali è ancora più evidente per i materiali intrinsecamente costosi, come le superleghe a base di nichel o le leghe di titanio.

Ottimizzazione delle prestazioni:

 Controllando con precisione la composizione della polvere metallica, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e i parametri di processo durante la produzione additiva (come la potenza del laser, la velocità di scansione, lo spessore dello strato), siamo in grado di ottenere proprietà uniche, difficili da ottenere con i metodi convenzionali. Ad esempio, la struttura dei grani di una parte prodotta con l'additivo può essere finemente controllata e, a volte, si può anche formare una struttura unica allo stato di non-equilibrio, che conferisce al materiale una maggiore forza, tenacità o resistenza alla corrosione.

 Un esempio comune è l'isotropia. Le parti convenzionali forgiate o laminate tendono a presentare una netta anisotropia, cioè proprietà meccaniche diverse nelle varie direzioni. La produzione additiva, invece, impilando strato per strato, può effettivamente ridurre o addirittura eliminare questa anisotropia se il processo è adeguatamente controllato, in modo che i pezzi presentino prestazioni uniformi ed eccellenti in tutte le direzioni. Questa uniformità è essenziale per i componenti critici che lavorano in ambienti con sollecitazioni complesse.

Costo-efficacia:

Quando si parla di costi, spesso si ha l'errata convinzione che la produzione additiva debba essere costosa. In effetti, il costo per pezzo può essere superiore a quello dei pezzi tradizionali prodotti in serie. Tuttavia, la metallurgia delle polveri combinata con la produzione additiva ha dimostrato un'economia senza pari negli scenari in cui sono necessari piccoli lotti, personalizzazione o produzione di pezzi altamente complessi.

Innanzitutto, elimina la necessità di produrre tradizionalmente un gran numero di stampi, di investimenti in attrezzature e accorcia il ciclo di sviluppo del prodotto. In secondo luogo, grazie all'elevato grado di libertà di progettazione, è possibile integrare più funzioni in un unico pezzo, riducendo i collegamenti di assemblaggio e riducendo ulteriormente il costo totale. La produzione additiva è senza dubbio la scelta migliore per i pezzi con cicli di vita brevi, per le sostituzioni rapide o per i prototipi che richiedono una rapida ottimizzazione iterativa.

Sviluppo di nuovi materiali:

La metallurgia delle polveri offre una piattaforma ampia ed efficiente per lo sviluppo di nuovi materiali in lega. Possiamo preparare polveri di lega con composizione e microstruttura speciali mescolando polveri di diversa composizione o mediante atomizzazione a gas, e poi utilizzare la tecnologia di produzione additiva per verificarne rapidamente le prestazioni.

Questa capacità di provare e sbagliare rapidamente ha accelerato notevolmente il progresso della scienza dei materiali. Ad esempio, alcune leghe ad alta entropia, difficili da ottenere con la fusione tradizionale, o materiali funzionali che richiedono una distribuzione della composizione a gradi, possono essere facilmente ottenuti con la tecnologia di produzione additiva. Non si tratta solo di produrre materiali esistenti, ma di creare i materiali del futuro.

Conclusione:

In generale, polveri metalliche per la produzione additiva non è solo il materiale di produzione, ma anche la forza trainante dell'innovazione industriale moderna. Rende possibile la progettazione di strutture complesse, la leggerezza, le alte prestazioni e la produzione personalizzata. Dall'acciaio inossidabile alle leghe di titanio, dal settore aerospaziale agli impianti medici, le polveri metalliche stanno cambiando la logica della progettazione e della produzione dei prodotti in modi mai visti prima. Grazie ai continui progressi nella tecnologia di polverizzazione, nel controllo della purezza delle polveri e nei processi di produzione additiva, il potenziale delle polveri metalliche continua ad essere liberato. In futuro, continueranno a guidare l'industria manifatturiera verso uno sviluppo più efficiente, più intelligente e più sostenibile, fornendo una solida "base materiale" per l'era dell'industria 4.0".