Texas A&M sviluppa un metodo per la stampa 3D di acciaio martensitico senza difetti
Un team di ricercatori della Texas A&M University e dell’Air Force Research Laboratory (AFRL) ha sviluppato una tecnica per la stampa 3D di parti prive di difetti realizzate in acciaio martensitico, una variante in acciaio con resistenza superiore e che è più economica da produrre. L’acciaio duro ha applicazioni nel settore aerospaziale, automobilistico e della difesa.
“Gli acciai forti e resistenti hanno applicazioni straordinarie, ma quelli più forti sono generalmente costosi: l’unica eccezione sono gli acciai martensitici che sono relativamente economici, costano meno di un dollaro per libbra”, ha spiegato Ibrahim Karaman, Capo del Dipartimento dei materiali scienza e ingegneria in Texas A&M. “Abbiamo sviluppato un framework in modo che la stampa 3D di questi acciai duri sia possibile in qualsiasi geometria desiderata e l’oggetto finale sarà praticamente privo di difetti”.
A differenza di molti tipi di lega d’acciaio che sono fatti da una combinazione o ferro e altri elementi come il carbonio, gli acciai martensitici vengono creati riscaldando gli acciai a una temperatura estremamente elevata e raffreddandoli poi rapidamente. Il raffreddamento provoca l’intrappolamento degli atomi di carbonio all’interno dei cristalli di ferro, con conseguente resistenza eccellente. L’uso di un processo AM basato su laser per produrre parti da acciai martensitici potrebbe consentire una maggiore libertà geometrica per le applicazioni di acciaio martensitico.
Fino ad ora, tuttavia, l’utilizzo di un processo AM basato su laser con le polveri di acciaio duro ha comportato il rischio di difetti, inclusa la creazione di pori all’interno del materiale. “Le porosità sono piccoli fori che possono ridurre drasticamente la resistenza dell’oggetto finale, anche se la materia prima utilizzata per la stampa 3D è molto forte”, ha affermato Karaman. “Per trovare applicazioni pratiche per il nuovo acciaio martensitico, dovevamo tornare al tavolo da disegno e studiare quali impostazioni del laser potevano prevenire questi difetti”.
Nel suo lavoro, il team di Texas A&M ha utilizzato un modello matematico esistente utilizzato nella saldatura per prevedere il modello di fusione di un singolo strato di polvere di acciaio martensitico utilizzando vari parametri di velocità e potenza del laser. Il team ha quindi analizzato il numero e la natura dei difetti in questi modelli, e adattato le impostazioni per migliorare i risultati e la capacità di previsione.
Ciò alla fine ha portato alla creazione di un framework con la capacità di prevedere correttamente se un nuovo set non testato di impostazioni laser avrebbe portato a difetti nell’acciaio stampato. Questa tecnica di previsione innovativa ridurrà i tempi di risposta per la valutazione e la ricerca dei parametri di stampa adeguati per gli acciai martensitici.
“Testare l’intera gamma di possibilità di impostazione del laser per valutare quali possono portare a difetti è estremamente dispendioso in termini di tempo e, a volte, anche poco pratico”, ha sostenuto Raiyan Seede, uno studente laureato presso il College of Engineering e l’autore principale dello studio. “Combinando esperimenti e modelli, siamo stati in grado di sviluppare una procedura semplice, rapida e passo-passo che può essere utilizzata per determinare quale impostazione funzionerebbe meglio per la stampa 3D di acciai martensitici.”
Le linee guida per la stampa di acciai martensitici senza difetti possono essere applicate anche ad altri metalli . Questa versatilità è dovuta al fatto che la struttura sviluppata dal gruppo di ricerca può essere adattata per abbinare le osservazioni degli esperimenti a binario singolo per qualsiasi tipo di polvere metallica.
“Sebbene abbiamo iniziato con un focus sulla stampa 3D di acciai martensitici, da allora abbiamo creato una pipeline di stampa più universale”, ha aggiunto Karaman. “Inoltre, le nostre linee guida semplificano l’arte della stampa 3D di metalli in modo che il prodotto finale sia privo di porosità, il che rappresenta uno sviluppo importante per tutti i tipi di industrie manifatturiere di additivi metallici che rendono le parti semplici come le viti a quelle più complesse come carrelli di atterraggio, cambi o turbine”.
