I ricercatori non sono ancora riusciti a trasformare completamente la produzione additiva, o stampa 3D, dei metalli in una scienza. Le lacune nella nostra comprensione di ciò che accade all’interno del metallo durante il processo hanno reso i risultati incoerenti. Ma una nuova svolta potrebbe garantire un livello senza precedenti di padronanza della stampa 3D in metallo.

Utilizzando due diversi acceleratori di particelle, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), del KTH Royal Institute of Technology in Svezia e di altre istituzioni hanno scrutato la struttura interna dell’acciaio mentre veniva fuso e poi solidificato durante la stampa 3D. I risultati, pubblicati su  Acta Materiali ,  sbloccano uno strumento computazionale per i professionisti della stampa 3D, offrendo loro una maggiore capacità di prevedere e controllare le caratteristiche delle parti stampate, migliorando potenzialmente la coerenza e la fattibilità della tecnologia per la produzione su larga scala.  

Un approccio comune per la stampa di pezzi metallici prevede essenzialmente la saldatura di pool di metallo in polvere con i laser, strato dopo strato, nella forma desiderata. Durante le prime fasi della stampa con una lega metallica, in cui il materiale si riscalda e si raffredda rapidamente, i suoi atomi – che possono essere un’infarinatura di diversi elementi – si assemblano in formazioni ordinate e cristalline. I cristalli determinano le proprietà, come tenacità e resistenza alla corrosione, della parte stampata. Possono emergere diverse strutture cristalline, ciascuna con i propri pro e contro.

“Fondamentalmente, se riusciamo a controllare la microstruttura durante le fasi iniziali del processo di stampa, allora possiamo ottenere i cristalli desiderati e, in definitiva, determinare le prestazioni delle parti prodotte in modo additivo”, ha affermato il fisico del NIST Fan Zhang, coautore dello studio.

Sebbene il processo di stampa sprechi meno materiale e possa essere utilizzato per produrre forme più complicate rispetto ai metodi di produzione tradizionali, i ricercatori hanno faticato a capire come indirizzare il metallo verso particolari tipi di cristalli rispetto ad altri. 

Questa mancanza di conoscenza ha portato a risultati non desiderabili, come ad esempio la rottura prematura di parti con forme complesse a causa della loro struttura cristallina. 

“Tra le migliaia di leghe comunemente prodotte, solo una manciata può essere realizzata utilizzando la produzione additiva”, ha affermato Zhang.

Parte della sfida per gli scienziati è stata che la solidificazione durante la stampa 3D dei metalli avviene in un batter d’occhio. 

Per catturare il fenomeno dell'alta velocità, gli autori del nuovo studio hanno utilizzato potenti raggi X generati da acceleratori di particelle cicliche, chiamati sincrotroni, presso l'Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory   e lo  Swiss Light Sourc del Paul Scherrer Institute . 

Il team ha cercato di scoprire come la velocità di raffreddamento del metallo, che può essere controllata dalla potenza del laser e dalle impostazioni di movimento, influenza la struttura cristallina. Quindi i ricercatori avrebbero confrontato i dati con le previsioni di un modello computazionale ampiamente utilizzato sviluppato negli anni '80 che descrive la solidificazione delle leghe. 

Sebbene il modello sia affidabile per i processi di produzione tradizionali, la giuria si è espressa sulla sua applicabilità nel contesto unico dei rapidi sbalzi di temperatura della stampa 3D. 

"Gli esperimenti con il sincrotrone richiedono molto tempo e sono costosi, quindi non è possibile eseguirli per ogni condizione che ti interessa. Ma sono molto utili per convalidare modelli che puoi quindi utilizzare per simulare le condizioni interessanti", ha affermato la coautrice dello studio Greta. Lindwall, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso il KTH Royal Institute of Technology.

All’interno dei sincrotroni, gli autori hanno creato condizioni di produzione additiva per l’acciaio per utensili per lavorazione a caldo – un tipo di metallo utilizzato per realizzare, come suggerisce il nome, strumenti in grado di resistere alle alte temperature. 

Mentre i laser liquefavano il metallo e emergevano diversi cristalli, i raggi X sondavano i campioni con energia e velocità sufficienti per produrre immagini del fugace processo. I membri del team avevano bisogno di due strutture separate per supportare le velocità di raffreddamento che volevano testare, che variavano da temperature di decine di migliaia a oltre un milione di Kelvin al secondo. 

I dati raccolti dai ricercatori descrivevano la spinta e la trazione tra due tipi di strutture cristalline, l'austenite e la ferrite delta, quest'ultima associata a fessurazioni nelle parti stampate. Quando la velocità di raffreddamento superò 1,5 milioni di Kelvin (2,7 milioni di gradi Fahrenheit) al secondo, l’austenite iniziò a dominare la sua rivale. Questa soglia critica era in linea con quanto previsto dal modello. 

“Il modello e i dati sperimentali concordano perfettamente. Quando abbiamo visto i risultati, eravamo davvero entusiasti”, ha detto Zhang. 

Il modello è stato a lungo uno strumento affidabile per la progettazione dei materiali nella produzione tradizionale, e ora lo spazio della stampa 3D può avere lo stesso supporto. 

I risultati indicano che il modello può informare scienziati e ingegneri su quali velocità di raffreddamento selezionare per le prime fasi di solidificazione del processo di stampa. In questo modo la struttura cristallina ottimale apparirebbe all’interno del materiale desiderato, rendendo la stampa 3D in metallo meno di un lancio di dadi. 

“Se disponiamo di dati, possiamo usarli per convalidare i modelli. In questo modo si accelera l’adozione diffusa della produzione additiva per uso industriale”, ha affermato Zhang.