Tutto ciò che devi sapere sulla stampa 3D in alluminio

L’alluminio e le sue leghe sono considerati i materiali più interessanti per la prossima fase di crescita dell’AM verso grandi lotti e applicazioni di produzione in serie. Ciò è dovuto principalmente alle eccellenti proprietà meccaniche dell’alluminio e al basso prezzo rispetto a metalli altrettanto leggeri come il titanio. Tuttavia, questa visione, sebbene in corso, è ancora lontana dall’essere realizzata a causa di diverse sfide inerenti alla stampa 3D in alluminio e alla produzione di parti in alluminio mediante processi AM.

Allo stesso tempo, le fluttuazioni significative dei prezzi, della produzione e della disponibilità dell’alluminio hanno afflitto le catene di approvvigionamento negli ultimi mesi, soprattutto quando le tensioni globali sono aumentate a seguito del conflitto Russia-Ucraina, per molteplici motivi. Il primo è che la Russia è un importante fornitore di alluminio per i mercati globali e RUSAL, il più grande produttore russo, fornisce il 40% del fabbisogno di alluminio dell’Unione Europea. La seconda è che la fusione dell’alluminio è un processo che richiede molta energia e, come tale, è stato influenzato dalla recente crisi energetica. AM potrebbe fornire una soluzione per la resilienza della catena di approvvigionamento in alcuni casi riducendo la quantità di materiale necessario per produrre determinate parti prodotte in modo additivo.

Materiali e tecnologie per la stampa 3D 

Una delle prime sfide nella stampa 3D in alluminio era che quasi tutte le leghe utilizzate in AM erano state originariamente sviluppate per applicazioni di fusione. In effetti, la lega di alluminio più comune utilizzata in AM è di gran lunga AlSi10Mg, una lega indurente con buona durezza, resistenza e tenacità dinamica, che viene tradizionalmente utilizzata come lega da fusione. La polvere prodotta da AlSi10Mg è comunemente utilizzata nella produzione additiva a causa dell’elevata resistenza alla corrosione, della bassa densità e dell’elevata resistenza meccanica dei componenti finali.

Le comuni leghe di alluminio disponibili in commercio per AM e relative tecnologie

 Fonte: 3dpbm Research
***In fase di sviluppo

Alluminio per L-PBF

Un approccio adottato dalle aziende di hardware e dai fornitori di servizi è stato lo sviluppo di processi AM (principalmente L-PBF) in grado di utilizzare in modo efficiente queste leghe relativamente comuni. Ad esempio, la società statunitense Velo3D ha sviluppato un processo per la stampa 3D di parti realizzate in alluminio F357 utilizzando il suo sistema Sapphire. Ciò ha creato nuove opportunità per la lega di alluminio da fonderia, in particolare per le applicazioni di trasferimento di calore a parete sottile nei settori aerospaziale e della difesa. L’alluminio F357 è considerato ideale per la sua capacità di essere anodizzato e per le sue somiglianze con la popolare lega di colata A357. Più o meno nello stesso periodo, nell’ambito di uno sforzo di collaborazione tra Honeywell e SLM Solutions, i nuovi set di parametri sviluppati per la lega F357, una nuova versione priva di berillio di AlSi7Mg0,6 (A357), hanno portato a proprietà del materiale notevolmente migliorate rispetto alle parti prodotto tramite pressofusione. Il lavoro tra Honeywell e SLM Solutions, annunciato nel 2019.

Solo di recente le leghe di alluminio specifiche per AM hanno iniziato ad essere adottate dal mercato. Il primo e più popolare è Scalmalloy, che è stato sviluppato ed è attualmente commercializzato dagli specialisti del settore aerospaziale APWORKS (ora parte di Premium AEROTEC). I fornitori di servizi noti che offrono le capacità di produzione di Scalmalloy includono alcuni dei più grandi fornitori di servizi AM in metallo al mondo, come 3T e Zare (acquisita da BEAMIT), Sauber Engineering, Metron, PolyShape (ora parte di AddUp), Pankl e Quadrus Corporation.

Un’altra lega  popolare per AM è A20X, che è stata sviluppata esplicitamente per la produzione additiva e può offrire resistenza alla trazione fino a 511 MPa, resistenza allo snervamento fino a 440 MPa e allungamento alla frattura fino al 13%. A20X è ora commercializzato a livello globale da ECKART, parte del gruppo ALTANA, dopo aver acquisito lo sviluppatore di materiali originale AMT.

Prima dell’invasione russa dell’Ucraina, RUSAL, uno dei maggiori produttori mondiali di alluminio, ha lanciato la serie ALLOW di prodotti in alluminio per AM che includono sia leghe da colata che diverse leghe sviluppate appositamente per i processi AM e ottimizzate per la sostenibilità e il basso fabbisogno energetico. Tra queste vi sono le leghe RS-230 AlCu (una lega della serie 2xxx resistente alle cricche a caldo) e RS-390 AlSiNi, adatte per applicazioni fino a 250 °C; e le leghe RS 507 AlMg e RS-553 AlMgSc, che sono materiali resistenti alla corrosione e ad alta resistenza commercializzati a un prezzo notevolmente inferiore rispetto a Scalmalloy. Sebbene il minacciato divieto totale dell’alluminio russo non sia entrato in vigore, al momento non è chiaro quali siano le prospettive commerciali per le polveri di alluminio RUSAL, anche se l’azienda produce fino al 6% dell’alluminio mondiale.

Nel 2020, la società francese Constellium ha lanciato Aheadd, una nuova generazione di polveri di alluminio ad alte prestazioni ottimizzate per L-PBF. Tra questi, Aheadd CP1 (Al-Zr-Fe) è la soluzione preferita quando sono richieste alta conducibilità e aumento della produttività. Aheadd HT1 (Al-Mn-Ni-Cu-Zr) è una soluzione per i requisiti di resistenza e temperatura elevata.

Insieme ad A20X, ALLOW e Aheadd, il produttore di energia canadese Equispheres ha lanciato le polveri Performance, Precision e Production per AM (che sono sia i nomi dei marchi di ciascun prodotto che gli usi previsti). L’azienda ha sviluppato una polvere perfettamente uniforme e perfettamente sferica che migliora l’affidabilità del processo, la velocità di produzione e le prestazioni delle parti in AM, mirando alle opportunità per parti AM leggere e ad alto volume. Equispheres ha anche collaborato con TRUMPF, Lockheed Martin, Aconity3D e Morf3D per accelerare lo sviluppo.

Binder jetting

La polvere Equisphere è sinterizzabile senza modifiche o additivi. Ciò fornisce un vantaggio in termini di prestazioni sulle piattaforme di stampanti a getto di legante. Con il processo di binder jetting incensato come la svolta necessaria per portare la produzione additiva al livello successivo, queste polveri di alluminio intrinsecamente sinterizzabili apriranno le porte alla produzione di massa di parti leggere.

Questo ci porta all’interessante argomento del binder jetting in alluminio. Man mano che i processi PBF metallici diventano sempre più produttivi grazie a sistemi più grandi, più veloci e più automatizzati, si prevede che l’adozione e la domanda di leghe di alluminio aumenteranno in modo significativo. Tuttavia, una sfida importante per l’adozione diffusa dell’alluminio nell’additivazione additiva è che i processi mirati alla produzione di grandi lotti e in serie tramite additivazione additiva, che beneficerebbero maggiormente del minor costo dell’alluminio, sono processi di binder jetting ad alta produttività. In termini di sviluppo dei materiali, questi processi beneficiano generalmente della capacità di adattare rapidamente i materiali metallici inizialmente previsti e utilizzati nei processi MIM. L’alluminio e le sue leghe non sono tra questi.

Nel binder jetting come nel MIM convenzionale, la polvere metallica viene prima miscelata con un legante per renderla modellabile o per costruire la parte in modo additivo. La parte verde viene poi sinterizzata in un forno. Il legante viene rimosso e lo strato di ossido viene ridotto con il calore. Le polveri metalliche si uniscono per formare un oggetto solido. L’alluminio è difficile da sinterizzare poiché lo strato di ossido che circonda le particelle può essere rimosso solo a temperature estremamente elevate, mentre l’alluminio ha un punto di fusione relativamente basso, che limita la temperatura massima di sinterizzazione. È quindi molto impegnativo rimuovere lo strato di ossido sulla polvere di alluminio prima che l’intero pezzo di metallo si sia fuso.

Le soluzioni a questo problema sono state esplorate per diversi anni, ma la piena commercializzazione dell’alluminio come materiale legante jettable è rimasta fuori portata. Oggi, tuttavia, questo potrebbe cambiare. All’inizio del 2021, entrambe le società di binder jetting Desktop Metal ed ExOne (ora fuse) hanno raggiunto separatamente importanti progressi nella sinterizzazione dell’alluminio 6061 per le parti prodotte dalla tecnologia del binder jetting.

La nuova polvere di Desktop Metal ha consentito la sinterizzazione di alluminio 6061 puro e rappresenta un miglioramento significativo rispetto alle tecniche precedenti utilizzate per sinterizzare l’alluminio, che richiedevano il rivestimento di particelle di polvere, la miscelazione di coadiuvanti di sinterizzazione in polvere, l’utilizzo di leganti contenenti costose nanoparticelle o l’aggiunta di metalli come piombo, stagno e magnesio. Fondamentalmente, la polvere di Desktop Metal ha anche consentito la compatibilità con i leganti a base d’acqua e ha un’energia minima di accensione (MIE) più elevata rispetto ad altre polveri di alluminio 6061 disponibili in commercio, con conseguente miglioramento del profilo di sicurezza. Desktop Metal e Uniformity Labs stanno lavorando per qualificare la produzione di polvere e scala per il rilascio commerciale. Una volta pienamente qualificato, l’alluminio Uniformity 6061 sarà disponibile per l’uso con la piattaforma Desktop Metal Production System.

Il potenziale dell’alluminio come materiale per il binder jetting è significativo e Ricoh ha finora centrato l’intera strategia di AM in metallo su questo segmento specifico. Sebbene la sua tecnologia non sia ancora commercializzata, ha già dimostrato la capacità di produrre parti complesse e abbastanza grandi.

Alluminio per consolidamento cinetico

Un’altra azienda australiana, SPEE3D, supporta la stampa 3D ad alta velocità e di grande formato di polveri di alluminio non sferiche (incluse 6061, 5056 e 7075) tramite la sua tecnologia Supersonic 3D Deposition, un tipo di consolidamento cinetico (noto anche come polvere soffiata a freddo). Questo è il nome dato al processo brevettato in cui un ugello a razzo accelera l’aria fino a tre volte la velocità del suono, in cui viene iniettata polvere metallica e poi depositata su un substrato manovrato da un braccio robotico a sei assi. In questo processo la pura energia cinetica delle particelle che si scontrano fa sì che le polveri si leghino insieme per formare una parte ad alta densità con proprietà metallurgiche superiori alla colata.

Stampa 3D in alluminio a base di filo

Le leghe di alluminio potrebbero anche rivelarsi materiali preziosi e molto convenienti per i processi WAAM (produzione additiva con arco a filo) ad alta produttività. L’uso di varie leghe di alluminio in vari tipi di tecnologie WAAM è attualmente un campo di ricerca attivo. Lavori recenti mostrano che le leghe più promettenti sono AlLi, AlCu, Al–Mg, AlZnMgCu, AlCuMg, AlSiMg, AlMgSi e AlMgMn/AlMg5Mn (queste sono di particolare interesse per la loro elevata forza e resistenza alla corrosione). Diverse aziende DED in metallo a base di filo in tutto il mondo scelgono l’alluminio come materiale chiave.

AML3D, una società australiana che commercializza la tecnologia WAM (Wire Additive Manufacturing) attraverso i sistemi Arcemy, supporta l’uso di diverse leghe di alluminio sotto forma di filo, in particolare 2319, 4043, 5183, 5183 (0,2% Sc), 5356 e 5087. Il WAM Il processo è caratterizzato dagli standard di stampa 3D per la deposizione di energia diretta, rispetto ad altre tecniche di stampa metallica con alimentazione a filo come i processi di sinterizzazione laser a fascio di elettroni, laser alimentato a filo e laser, WAM può essere utilizzato per stampare parti metalliche in un ambiente aperto formare l’ambiente di fabbricazione utilizzando un gas inerte localizzato, riducendo i costi di fabbricazione e migliorando le proprietà del materiale.

MX3D, il leader olandese nella tecnologia WAAM, noto per diverse applicazioni di alto profilo, ha qualificato anche un’ampia gamma di materiali in alluminio per la sua tecnologia (disponibile sia tramite i servizi di produzione che i sistemi hardware M1). Questi includono AlSi10Mg (4046) e AlSi7Mg (4018) in forma di filo, nonché 5356 e 5087. WAAM3D, un’azienda britannica recentemente entrata nel mercato con il sistema roboWAAM avanzato e altamente automatizzato, offre anche filo di alluminio (2024 e 5087).

Queste leghe sono elencate come materiali di “livello 1” per il processo CMT-WAAM (cold metal transfer) di WAAM3D, il che significa che l’azienda ha impostato parametri di processo primari specifici del materiale per garantire la stampa della geometria corretta, senza difetti. Sono disponibili anche come materiali di “livello 0” per il processo PTA-WAAM (plasma transfer arc) di WAAM3D, il che significa che gli utenti devono scegliere i parametri di processo per la propria ricerca e sviluppo.

Sebbene il supporto dell’alluminio faccia spesso parte delle strategie dei materiali delle società WAAM, è anche interessante notare che Meltio, un’azienda in rapida crescita che commercializza sistemi AM ad alta velocità ea basso costo, principalmente basati su filo metallico, attualmente non offre l’alluminio tra i suoi materiali supportati. Vale anche la pena notare che Xerox ha recentemente abbandonato il suo progetto ElemX, che si basava su un approccio di stampa a metallo liquido e vedeva l’alluminio come materiale principale per l’applicazione della tecnologia e la strategia di crescita.

Negli Stati Uniti, MELD, una startup in crescita con un interesse chiave nelle applicazioni per la difesa, ha sviluppato un processo a stato solido (il che significa che il materiale non raggiunge la temperatura di fusione durante il processo) per produrre materiali e parti di alta qualità con basse sollecitazioni residue e piena densità con requisiti energetici significativamente inferiori rispetto ai processi basati sulla fusione più convenzionali. Il processo MELD è in grado di stampare parti metalliche di grandi dimensioni su una scala non ancora vista nel mercato degli additivi metallici e deposita materiale almeno 10 volte più velocemente dei processi di additivi metallici basati sulla fusione. La prima macchina disponibile in commercio di MELD, B8, utilizza barre piene di metallo, ma è anche possibile combinare polveri diverse per creare un composito a matrice metallica (MMC) come Al-SiC, Al-Fe, Al-W, Al-Mo.

Tra i fornitori di materiali, il portafoglio di materiali AM di voestalpine Böhler include un filo di alluminio non specificato per WAAM. Tuttavia, l’uso di WAAM con materiali in alluminio è ancora spesso limitato da difetti come porosità e cricche di solidificazione, che possono limitare fortemente le proprietà meccaniche dei componenti, come resistenza o duttilità dei componenti. Recentemente una startup chiamata Fortium Metals, che si basa sull’esperienza di Elementum 3D, è entrata nel mercato concentrandosi specificamente sui materiali in filo metallico per la produzione additiva. Tra le sue capacità, l’azienda offre “la metallurgia ideale per saldare il non saldabile”, tra cui l’alluminio delle serie 1xxx, 2xxx, 6xxx e 7xxx, risolvendo i problemi di lacerazioni a caldo e cricche a caldo.

Applicazioni dell’alluminio in AM

Man mano che gli sviluppatori e i produttori di metalli introducono materiali in alluminio e leghe di alluminio più specifici per AM, le applicazioni per il metallo continuano a crescere. Oggi, sebbene il potenziale applicativo rimanga in gran parte inutilizzato, ci sono alcune aree in cui la produzione additiva di alluminio sta progredendo.

Scalmalloy è stato sviluppato specificamente per applicazioni aerospaziali e ha le proprietà per sostenerlo. La lega di polvere di alluminio-magnesio-scandio ha un elevato rapporto resistenza/peso, buona duttilità e resistenza alla corrosione. Utilizzato in combinazione con l’ottimizzazione della topologia, il materiale può fornire componenti aeronautici leggeri e ad alte prestazioni. Vale anche la pena ricordare che la lega di alluminio è stata utilizzata da APWORKS nella creazione di Light Rider, una motocicletta stampata in 3D nel 2016.

Nel mondo automobilistico e del motorsport, le leghe di alluminio vengono implementate con tecnologie di stampa 3D. Un caso degno di nota è il binario di guida del finestrino della BMW i8 Roadster. Realizzata in lega di alluminio, la componente metallica pesa meno della parte in plastica stampata ad iniezione normalmente utilizzata ma è comunque notevolmente più rigida. La sua importanza è già stata riconosciuta con un Altair Enlighten Award. Un’altra applicazione chiave ha visto Mercedes Benz stampare in 3D uno dei primissimi pezzi di ricambio per la divisione Trucks nel 2017. Un’altra iniziativa chiave, anch’essa risalente al 2017, ha visto Daimler, EOS e Premium Aerotec partner del progetto NextGen AM il cui obiettivo principale era promuovere l’automazione del processo di stampa 3D industriale, con un focus specifico sulla qualificazione dell’alluminio per l’uso nella stampa 3D industriale.

Gli sport motoristici sono un’altra area in forte crescita per l’AM e l’alluminio può svolgere un ruolo. Nel 2020, la Formula 1 ha approvato l’uso di due polveri di alluminio Elementum 3D (A6061-RAM1 e A2024-RAM2) per la stagione agonistica 2021. La lega A6061-RAM2 di Elementum 3D è stata utilizzata anche dalla startup aerospaziale Masten Space Systems per produrre una e-pump stampata in 3D.

Il segmento automobilistico di lusso e hypercar continua ad essere il più ricettivo alla stampa 3D in alluminio, in particolare (in questo momento) per le applicazioni L-PBF. La più notevole è la collaborazione in corso tra Divergent e SLM Solutions sulla supercar Czinger21, che presenta ben 350 parti stampate in 3D su ogni veicolo, la maggior parte delle quali sono realizzate utilizzando leghe di alluminio.

Notevole anche nello spazio automobilistico è il gruppo tedesco EDAG, che nel 2020 ha sviluppato una lega di alluminio per la stampa 3D di parti automobilistiche in collaborazione con otto partner. Il metallo, CustAlloy, è progettato per essere “resistente agli urti” e ha una maggiore resistenza e allungamento alla rottura rispetto ad altri materiali AM in alluminio. Guardando a un uso più diffuso nel settore automobilistico del mercato di massa, Ford e lo specialista del binder jetting ExOne (ora parte di Desktop Metal) hanno sviluppato un modo per stampare in 3D l’alluminio 6061 utilizzando il binder jetting, oltre a sinterizzarlo. Il processo, in grado di produrre parti con una densità del 99%, è ancora in attesa di brevetto.

Ci sono anche una miriade di applicazioni per le leghe di alluminio nel settore industriale, compresa la produzione di scambiatori di calore e dissipatori di calore. La società australiana di AM Conflux Technology ha dimostrato come potrebbe produrre scambiatori di calore più efficienti utilizzando AM e leghe di alluminio. Nello specifico, la società ha mostrato uno scambiatore di calore stampato in 3D realizzato utilizzando la stampante 3D EOS M 290 e il materiale AlSi10Mg di EOS. Lo scambiatore di calore ora brevettato ha varie applicazioni in una vasta gamma di settori, tra cui aerospaziale, automobilistico, petrolio e gas, lavorazione chimica e raffreddamento di microprocessori.

Le applicazioni di grande formato basate su filo (principalmente tramite la tecnologia WAAM) hanno incluso il progetto Aluminium Keel, parte di una collaborazione in corso tra KM Yachtbuilders e MX3D per la ricerca e la stampa 3D di parti in alluminio per l’industria marittima. La chiglia in alluminio stampata in 3D è stata prodotta utilizzando il processo Robotic WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) dell’azienda. Un altro progetto recente ha visto MX3D svelare una bici in alluminio stampata in 3D, la Arc Bike II.

Parlando di parti stampate in alluminio di grande formato, la più grande fino ad oggi è stata prodotta da MELD Manufacturing. La società statunitense ha utilizzato il suo esclusivo processo di stampa 3D di consolidamento dell’attrito per mostrare la scalabilità delle sue capacità all’aria aperta stampando un cilindro di alluminio di dieci piedi (3,05 metri) di diametro, utilizzando barre di alluminio standard.

Quantificare il business dell’alluminio AM

Esaminando ogni prodotto AM oggi sul mercato, 3dpbm Research ha presentato la panoramica più accurata del mercato AM in metallo in termini di spedizioni registrate per ciascuna delle principali famiglie di materiali. Ciò fornisce la base per le previsioni a 10 anni specifiche per famiglia di materiali nel rapporto sulle tendenze e le opportunità di mercato di Metal AM pubblicato di recente.

Il rapporto mostra che le famiglie di materiali in più rapida crescita in AM sono l’alluminio e il rame. L’alluminio è già ampiamente utilizzato nei processi AM in polvere, ma fino a poco tempo fa quasi tutte le polveri AM di alluminio sul mercato, inclusa la più popolare, AlSi10Mg, erano leghe da colata adattate per l’uso in AM. A partire da Scalmalloy, introdotto da APWORKS nel 2016, e A20X, sta entrando nel mercato una nuova generazione di leghe di alluminio sviluppate appositamente per AM.

L’ostacolo principale all’adozione dell’alluminio nell’AM è l’adattamento del materiale per i processi con metallo legato. I processi BMP sarebbero i maggiori consumatori di leghe di alluminio per AM, poiché le tecnologie mirano a produzioni di grandi volumi convenienti, se non fosse per il fatto che richiedono la sinterizzazione di parti verdi in un forno che rimane una sfida che sta iniziando solo ora da affrontare.

In termini di previsione della domanda di materiali per AM in metallo, il cambiamento più evidente è il rapido aumento dell’adozione della lega di alluminio. Oggi le leghe di alluminio sono le quarte leghe più apprezzate dopo titanio e nichel, con 249,7 tonnellate spedite nel 2021, registrando una crescita del +36,7% rispetto al 2020. Diventeranno le terze leghe più apprezzate entro il 2030, quando rappresenteranno quasi il 20% delle spedizioni totali di materiale AM ​​metallico, con 5.354 tonnellate metriche. L’aumento della domanda di alluminio potrebbe essere ancora più significativo se le tecnologie di binder jetting si dimostrassero in grado di elaborarlo in modo efficiente per la produzione in serie.

In termini di ricavi, le leghe di alluminio hanno rappresentato il quarto più grande segmento di materiali nel 2020 con soli $ 17,9 milioni (USA) generati e in crescita del 36,8% nel 2021. Questo ci dà una migliore comprensione delle dimensioni del mercato dei materiali AM. Sebbene la crescita sarà significativa, i ricavi attuali sono molto limitati a causa delle piccole quantità necessarie per produrre parti tramite stampa 3D e del basso numero di parti generalmente prodotte tramite AM, sia per prototipi e strumenti (che sono generalmente una tantum) che per piccoli lotti parti di produzione.

Con questo in mente, è chiaro dalla varietà di potenziali applicazioni e usi, che l’alluminio AM è destinato a crescere in modo significativo in questo decennio. Tra i materiali metallici AM attualmente stabiliti, le leghe di alluminio dovrebbero registrare il CAGR più significativo al 33,3%, seguite da leghe di titanio, acciaio, nichel e cobalto. Ciò renderà l’alluminio e le sue leghe la terza opportunità di guadagno più rilevante alla fine del periodo di previsione, generando 321 milioni di dollari di vendite annuali entro il 2030 (oltre il 1700% di crescita).

*Questo testo è stato in parte estrapolato dal report Metal AM Market Trends and Opportunities 2020-2030 di 3dpbm Research. È stato aggiornato per riflettere gli ultimi prodotti e le tendenze emerse.