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La stampa 3D in metallo sta rivoluzionando il mondo della produzione a una velocità mai sperimentata prima, liberando progettisti e ingegneri dai vincoli tradizionali. Dai componenti aerospaziali ad alte prestazioni ai singoli dispositivi medici , fino alle complesse apparecchiature industriali leggere, la selezione accurata dei materiali metallici è la chiave per sbloccare questi utilizzi. Questo articolo affronta in modo approfondito i principali metalli stampabili in 3D , come leghe di titanio, leghe di alluminio, acciaio inossidabile, leghe ad alta temperatura, acciai per utensili e metalli preziosi , le loro proprietà caratteristiche, i processi appropriati e i principali ambiti di utilizzo, liberando il potenziale illimitato della produzione additiva con i metalli.

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Lega di titanio: il re della leggerezza e dell'alta resistenza

Introduzione dettagliata a Ti6Al4V (grado 5 e 23) e altre leghe di titanio

Ti6Al4V

Nota anche come lega di titanio TC4 , è una tipica lega di titanio α+β. La sua composizione chimica è composta principalmente da: titanio (Ti) come matrice; alluminio (Al) (6%) per migliorare la resistenza e la stabilità termica della lega; e vanadio (V) (4%) per migliorare la plasticità e la resistenza alla corrosione. Ti6Al4V combina numerosi vantaggi, tra cui resistenza, tenacità, resistenza al calore e alla corrosione e bassa densità. È la lega di titanio più utilizzata al mondo, rappresentando oltre il 50% dell'uso globale di leghe di titanio. In parole povere, è più dura dell'alluminio, più leggera dell'acciaio e più resistente alla corrosione dell'acciaio inossidabile.

Grado 5 (Ti-6Al-4V)

Il grado 5 (Ti-6Al-4V), il grado di punta, è la lega di titanio di punta più utilizzata perché offre la migliore combinazione di resistenza a trazione (≥895 MPa), limite di snervamento (≥830 MPa) e duttilità progressivamente elevata (allungamento ≥10%) . Il grado 23 (Ti-6Al-4V ELI, Extra Low Interstitial) a basso contenuto di interstizio migliora notevolmente, senza ridurre l'elevata resistenza (resistenza a trazione ≥828 MPa), la tenacità alla frattura e la tolleranza al danno. È particolarmente adatto a componenti strutturali portanti critici per la sicurezza che richiedono la massima affidabilità, elevata resistenza alle sollecitazioni multiassiali o servizio a basse temperature, ad esempio riser per l'esplorazione di pozzi petroliferi in acque profonde, componenti aeronautici e protesi articolari.

Oltre alle serie Grado 5 e Grado 23, la famiglia di leghe di titanio comprende anche la TC21 ad alta resistenza e durevolezza (con resistenza alla trazione ≥1100 MPa), la TC11 ad alta resistenza termica (utilizzabile entro 500 °C) e il titanio puro commerciale TA1/Ti Grado 2 (con buona resistenza alla corrosione e formabilità, comunemente riscontrabile nell'ingegneria chimica e nelle applicazioni mediche generali). Tutte le leghe presentano un contenuto di elementi costitutivi controllato come Al, V, Ru ed elementi interstellari (O, N, C e Fe), nel tentativo di soddisfare le diverse e rigorose esigenze di ambienti di servizio in termini di elevata resistenza, elevata tenacità, elevata resistenza alla corrosione, buona saldabilità ed elevata biocompatibilità.

Caratteristiche

Elevato rapporto resistenza/peso, elevata resistenza alla corrosione e buona biocompatibilità. Le leghe di titanio Ti-6Al-4V offrono l'equilibrio ideale tra proprietà meccaniche, fisiche e di resistenza alla corrosione.

Elevato rapporto resistenza/peso: nonostante la sua densità sia di soli 4,43 g/cm³, appena il 60% di quella dell'acciaio, la resistenza specifica della lega di titanio è pari, se non superiore, a quella degli acciai legati ad alta resistenza. Di conseguenza, i componenti in lega di titanio, sottoposti a un carico simile, mostrano una notevole riduzione di peso di oltre il 40%. Il suo limite di snervamento, solitamente 800-880 MPa, è tale che il materiale mostra , anche a sollecitazioni elevate, una deformazione duttile ed è molto meno soggetto a rotture per fragilità.

Buona resistenza alla corrosione: in mezzi aggressivi come acido fluoridrico, acido acetico e acido formico, uno strato sottile di ossido di titanio passivo estremamente rapido aderisce alla sua superficie, conferendogli una buona resistenza alla corrosione, consentendone l'impiego in ambienti chimici e in atmosfera acquosa.

Maggiore biocompatibilità: le leghe di titanio, in particolare quelle di grado 23 ELI, non sono sensibilizzanti, atossiche e non magnetiche per i tessuti umani. Il modulo elastico delle leghe di titanio è molto vicino a quello dell'osso umano, riducendo notevolmente la schermatura da stress e favorendo una migliore osteointegrazione. La resistenza all'usura e la bioattività possono essere ulteriormente migliorate attraverso trattamenti superficiali (ad esempio, rivestimenti in nitruro di titanio ), e quindi sono adatte per articolazioni artificiali (anca e ginocchio), placche ossee, viti ossee, impianti dentali e impianti craniomaxillofacciali avanzati. L'impianto protesico personalizzato in lega di titanio utilizzato durante la prima "sostituzione totale del corpo vertebrale cervicale stampata in 3D" al mondo è stato utilizzabile per otto anni in quel paziente e ha ripreso a svolgere la sua funzione, dimostrando il suo elevato livello di biocompatibilità e la sua lunga durata.

Processi rilevanti: le leghe di titanio sono più precise ed efficienti nel caso della stampa 3D per consentire potenzialità di progettazione di componenti personalizzati, ad esempio SLM , EBM e DED.

Applicazioni: Grazie alle loro eccezionali proprietà, le leghe di titanio si sono affermate come prodotto di punta in una vasta gamma di applicazioni ad alte prestazioni, che spaziano dagli stent aerospaziali, alle parti di motori, ai dispositivi medici, alle sostituzioni articolari, agli impianti craniomaxillofacciali, alle auto da corsa ad alte prestazioni, fino ai dispositivi sportivi.

Acciaio inossidabile: la spina dorsale della resistenza alla corrosione e delle applicazioni industriali

Descrizione dettagliata di 316L (resistente alla corrosione), 17-4PH / 15-5PH (indurimento per precipitazione), 304L, 420, ecc.

Acciaio inossidabile 316L

Essendo un acciaio inossidabile contenente molibdeno, l'acciaio inossidabile 316L è più resistente alla corrosione rispetto all'acciaio inossidabile 304 , ed è quindi un materiale adatto per le apparecchiature nella produzione di cellulosa e carta . L'acciaio inossidabile 316 resiste anche alle atmosfere industriali e marine aggressive. L'acciaio inossidabile 316L resiste inoltre alla precipitazione di carburi più a lungo dell'acciaio inossidabile 316 ed è quindi idoneo per applicazioni ad alte temperature. Essendo una lega a basso tenore di carbonio dell'acciaio 316, l'acciaio 316L presenta le stesse caratteristiche dell'acciaio 316, ma con una maggiore resistenza alla corrosione intergranulare. Questo è un requisito specifico nelle applicazioni dell'acciaio 316, dove la resistenza alla corrosione intergranulare è un parametro importante. Tra tutte le tipologie di acciaio inossidabile, l'acciaio 316L e l'acciaio 17-4PH sono comunemente considerati la coppia d'oro della stampa 3D. Tra tutte queste tipologie di acciaio inossidabile, l'acciaio 316L, con la sua migliore resistenza alla corrosione e la sua maggiore biocompatibilità, offre ottime prestazioni nelle applicazioni mediche.

17-4PH / 15-5PH (Indurimento per precipitazione)

L'acciaio inossidabile 15-5 è un acciaio inossidabile martensitico che trova impiego in molteplici applicazioni. È perfetto per progetti in cui è richiesto un grado di resistenza alla corrosione e prestazioni trasversali superiori rispetto ad altri martensitici. La temperatura del trattamento termico può quindi essere variata per adattare il grado di resistenza e durezza richiesto a ogni singolo progetto.

La lega 17-4PH appartiene a una famiglia di leghe di acciaio inossidabile martensitico indurente per precipitazione, che presentano elevata durezza e resistenza e una moderata resistenza alla corrosione fino a 600 °F. Presenta utili qualità di fabbricazione e può essere indurita per invecchiamento tramite una singola ricottura a 900-1150 °F. Questa lega è stata ampiamente utilizzata in apparecchiature, raccordi e hardware per l'industria petrolifera e petrolchimica.

Acciaio inossidabile 304L

Si tratta di un acciaio legato 304 a basso contenuto di carbonio . Il 304L ha un basso tenore di carbonio, che riduce la precipitazione di carburi nocivi durante la saldatura. Per questo motivo, il 304L "può essere saldato " in ambienti corrosivi ostili senza ricottura. Le proprietà meccaniche di questo grado sono leggermente inferiori a quelle del 304 standard, ma viene comunemente utilizzato per la sua versatilità. Come l'acciaio inossidabile 304 , è comunemente utilizzato nell'industria della birra e della vinificazione, ma può essere utilizzato per applicazioni di prodotti non alimentari, tra cui contenitori per lo stoccaggio di prodotti chimici, industria mineraria ed edilizia. È ideale per l'utilizzo in componenti metallici come dadi e bulloni esposti all'acqua di mare.

Il 304L gode di una domanda stabile, presente in usi non applicativi come la prototipazione, grazie alla sua competitività in termini di costi. L'acciaio di grado 420 è un acciaio inossidabile martensitico ad alto tenore di carbonio con un tenore minimo di cromo del 12%. L'acciaio di grado 420, e l'acciaio inossidabile in generale, possono essere temprati rispetto al loro stato iniziale mediante trattamento termico. L'acciaio di grado 420, dopo essere stato ricotto, è relativamente duttile e offre un'eccellente resistenza alla corrosione dopo la lucidatura, la rettifica superficiale o la tempra. L'acciaio di grado 420 è ideale per qualsiasi tipo di macchinari di precisione, cuscinetti, dispositivi elettrici, strumenti, contatori, veicoli per il trasporto, elettrodomestici da cucina, servizi di ristorazione e dispositivi medici in acciaio inossidabile.

Proprietà: altissima resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche superiori o possibilità di trattamento termico per ottenere elevata resistenza e costi relativamente bassi.

Processi applicativi: grazie alla sua elevata resistenza, alla resistenza alla corrosione, alla possibilità di trattamento termico per ottenere un'elevata resistenza e alla compatibilità con i processi 3D per metalli più diffusi, come SLM, DED e Binder Jetting, l'acciaio inossidabile è ben noto per la stampa 3D di metalli .

Applicazione: valvole per tubi dell'industria chimica, alimentare e marittima, dispositivi medici, pezzi di utensili o stampi, ferramenta architettonica e pezzi funzionali in genere.

Leghe ad alta temperatura: guardiane degli ambienti estremi

Ampia panoramica delle leghe a base di nichel e cobalto come Inconel 718, Inconel 625, Hastelloy X e Haynes 282.

Inconel 718

Si tratta di una lega di nichel ad alte prestazioni, utilizzata principalmente in ambienti corrosivi e ad alte temperature. Offre elevata resistenza meccanica, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e saldabilità e lavorabilità di altissimo livello. La sua composizione chimica presenta un elevato contenuto di nichel, cromo, ferro e altre leghe, che le conferisce un'elevata resistenza al calore e all'ossidazione.

Inconel 625

Si tratta di una lega a base di nichel contenente nichel, cromo e molibdeno , oltre a tracce di titanio e alluminio . Presenta una buona resistenza alla corrosione e alle alte temperature. È adatta all'uso in una vasta gamma di ambienti ostili, grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione e all'ossidazione.
Hastelloy X è una lega di molibdeno e cromo ad alta temperatura con un elevato contenuto di ferro, rinforzata tramite soluzione solida.

Hastelloy X

È resistente all'ossidazione e alla corrosione e presenta un'elevata resistenza allo scorrimento e tenacità anche ad alte temperature (ad esempio, al di sotto di 900°C) e anche in atmosfere di cementazione e nitrurazione e in atmosfere sia neutre che riducenti.

Lega Haynes 282

Si tratta di una superlega rinforzante di grado Y avanzata, sviluppata specificamente per impieghi strutturali ad alta temperatura, in particolare per l'impiego su motori a terra e a turbina nel settore aerospaziale. Offre un eccellente equilibrio tra saldabilità, stabilità termica, resistenza al creep e lavorabilità rispetto alle leghe commerciali .

Proprietà: eccezionale resistenza alle alte temperature, elevata resistenza all'ossidazione, allo scorrimento e alla corrosione.

Processo applicabile: SLM, EBM, con competenza specifica in DED

Applicazioni: applicazioni su motori aeronautici , componenti di turbine a gas a sezione calda (pale di turbine, combustori), componenti di motori a razzo, componenti per energia nucleare, forni ad alta temperatura.

Acciaio per utensili e acciaio per stampi: resistente all'usura e durevole

Introduzione dettagliata: H13 (lavorazione a caldo), acciaio Maraging 300/350 (indurimento per invecchiamento), 18Ni300, M2 (acciaio rapido), Toolox 33/44, ecc.

H13

È un acciaio legato per utensili e un acciaio rapido per lavorazioni meccaniche, utilizzato principalmente per stampi ad alta pressione e alta temperatura, come stampi per forgiatura a caldo, fusione di leghe di alluminio ed estrusione a caldo. L'H13 possiede elevata resistenza a caldo, durezza a caldo e tenacità, nonché una superiore resistenza alla fatica termica, risultando quindi molto performante in servizio ad alta temperatura.

Proprietà: elevata durezza, elevata resistenza all'usura e alle alte temperature (acciaio per lavorazioni a caldo); resistenza estremamente elevata dopo il trattamento termico ( acciaio Maraging ).

Acciaio Maraging 300/350 (indurimento per invecchiamento)

L'acciaio Maraging 300/350, o invecchiamento, è un acciaio ad alta resistenza costituito da una matrice martensitica a basso tenore di carbonio, o carbonio libero, che raggiunge la durezza tramite la precipitazione di composti intermetallici durante l'invecchiamento. A differenza dell'acciaio ad alta resistenza convenzionale, non raggiunge la durezza tramite il carbonio, bensì tramite la precipitazione e la dispersione di composti intermetallici e, pertanto, differisce dall'acciaio convenzionale sotto diversi aspetti. Le caratteristiche includono elevata resistenza, elevata tenacità, bassa temprabilità, buona formabilità, facilità di trattamento termico, assenza di distorsioni durante l'invecchiamento e buona saldabilità.

18Ni300

È una lega della serie Maraging 300 e ne ha la composizione e le qualità. I suoi principali vantaggi sono la minima distorsione durante l'invecchiamento a basse temperature, al fine di ottenere la stabilità dimensionale di componenti precisi; la sua bassa temprabilità a freddo , che la rende ideale per stampaggi e formature complesse. Le sue applicazioni includono gusci di missili, bielle per auto da corsa ad alto rendimento e stampi per fusione di precisione.

M2 (acciaio rapido)

Si tratta di un acciaio rapido per utensili a base di molibdeno, una lega composta principalmente da carbonio, molibdeno, tungsteno, cromo e vanadio . Questo acciaio presenta un'elevata resistenza all'usura, agli urti e alle alte temperature (mantenendo le qualità fino a 600 °C), che può essere utilizzato nella produzione di utensili da taglio , stampi e componenti ad alta resistenza. L'elevata uniformità di distribuzione del carburo e l'elevata tenacità caratterizzano questo acciaio, che tuttavia è soggetto a surriscaldamento e richiede un rigoroso controllo dei parametri di trattamento termico. L'aggiunta di cerio, una terra rara per eccellenza, a grana fine affina le dimensioni del carburo, riduce la segregazione della lega e ne aumenta la resistenza alle alte temperature e la lavorabilità.

Toolox 33/444

Toolox 33/44, un acciaio rivoluzionario trattabile termicamente , è pre-temprato a HRC 33 (Toolox 33) e HRC 44 (Toolox 44) in laminatoio, eliminando costi e tempi di ciclo per il trattamento termico. Questo acciaio, che presenta un'elevata efficienza di lavorazione, elevate velocità di taglio diretto, più rapide, e buone prestazioni di elettroerosione e lucidatura, riduce di un terzo i tempi di lucidatura. I trattamenti superficiali compatibili ottimizzano ulteriormente la resistenza all'usura. In grandi dimensioni, è comunemente utilizzato in stampi a iniezione , stampi per stampaggio di automobili e attrezzature robotizzate, riducendo i tempi di consegna.

Processi applicabili: SLM, EBM, con particolare forza nel DED.

Applicazioni: inserti per stampi a iniezione/pressofusione, in particolare quelli con canali di raffreddamento conformati, stampi per stampaggio/formatura, utensili da taglio e parti resistenti all'usura.

Metalli preziosi e leghe speciali: soddisfare esigenze uniche

Oro, argento e platino

Sono metalli preziosi per soddisfare esigenze specifiche nella stampa 3D.
Gioielli: i gioielli devono essere chimicamente inerti a temperatura e pressione ambiente standard e resistenti alla corrosione contro i principali costituenti di acqua e aria. La stabilità chimica è eccellente nell'oro. L'argento ha un aspetto metallico bianco-argenteo, è facilmente reperibile ed economico ed è emerso come la scelta preferita per la gioielleria. Il platino , che è l'oro bianco, ha un aspetto metallico bianco-argenteo, è altamente duttile e resistente alla corrosione contro acidi forti corrosivi e alcali forti e ha un punto di fusione estremamente elevato.

Contatti elettronici speciali: nei microcontatti elettronici , l'oro resiste all'erosione da arco ; l'argento resiste all'inibizione dell'elettromigrazione ; e il platino resiste all'ossidazione da alte temperature . Questi metalli nobili, allo stesso modo, vengono utilizzati nei contatti dei relè aerospaziali e nei connettori superconduttori in platino nelle macchine per la risonanza magnetica nucleare.

Dispositivi biomedici per la ricerca: sensori impiantati (oro), dispositivi di rilascio di farmaci antitumorali in platino e superfici antibatteriche in argento.

Leghe di rame (rame puro, CuCrZr)

Altamente conduttivi, sono utilizzati in componenti di motori, dissipatori di calore, scambiatori di calore e bobine di induzione. La lega di cobalto-cromo (CoCrMo) è estremamente resistente all'usura e altamente biocompatibile, e viene utilizzata nelle ricostruzioni dentali e in alcuni impianti ortopedici.

Processi appropriati: SLM (sono richiesti parametri speciali), BJ (metalli preziosi) e DED (rame).

Domande frequenti (FAQ)

1. La resistenza dei componenti metallici stampati in 3D sarà simile a quella dei componenti forgiati?

Sì. Un'adeguata ottimizzazione dei processi post-trattamento, ad esempio tramite trattamento termico, può far sì che le parti metalliche prodotte tramite processi come SLM o EBM raggiungano e persino superino in resistenza e fatica quelle delle parti forgiate tradizionali.

2. È possibile sostituire completamente la produzione convenzionale (ad esempio fusione e CNC ) con la stampa 3D metallica?

Non ancora, non è possibile. È più adatto per forme complesse, personalizzazione per produzioni brevi e per leghe difficili da lavorare . La produzione in serie di componenti banali, tuttavia, è meno costosa e più rapida con i metodi convenzionali, ed entrambi i processi sono complementari.

3. Il metallo stampato in 3D necessita di post-elaborazione?

Sì, salvo rarissime eccezioni, tutti i componenti metallici stampati in 3D richiedono post-elaborazione. I processi comuni associati alla stampa 3D di metalli sono la rimozione della struttura di supporto, l'eliminazione delle tensioni, il trattamento termico, la finitura superficiale (lavorazione meccanica, lucidatura, sabbiatura ) e la tecnica HIP (con l'obiettivo di migliorare la densità ed eliminare i pori).

4. La stampa 3D in metallo è più costosa a causa del costo del materiale?

Il suo costo è solitamente significativamente superiore a quello di barre o blocchi di metallo da cui verrebbe ricavato. Aggiungono un importo non trascurabile al costo di una stampa 3D in metallo , sebbene il suo rapporto qualità-prezzo complessivo debba essere valutato nel suo complesso, tenendo conto della libertà di progettazione e del risparmio di materiale.

Riepilogo

La libreria di materiali metallici per la stampa 3D continua a crescere in modo esponenziale, dalle leghe di titanio convenzionali, alle leghe di alluminio, all'acciaio inossidabile e alle leghe ad alta temperatura, passando per acciai per utensili rari, metalli nobili e leghe di rame. Ognuno di essi offre, in una combinazione individuale, una selezione di proprietà come resistenza, leggerezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, conduttività elettrica, capacità termica e biocompatibilità per applicazioni high-tech specifiche. Tecnologie innovative consentono di elaborare tali materiali in modo efficiente, in geometrie altamente complesse impossibili da ottenere con i processi convenzionali, modificando la progettazione, la prototipazione e la realizzazione di componenti ad alte prestazioni.

Quando i vincoli di progettazione innovativi sono il vostro problema, la leggerezza, la riduzione dei tempi di consegna o la lavorazione di materiali difficili da tagliare sono la vostra sfida, la stampa 3D in metallo e la selezione dei materiali sono soluzioni potentissime. Una profonda conoscenza delle proprietà e delle applicazioni dei vostri materiali è la chiave per sbloccare questa tecnologia rivoluzionaria per creare e differenziarsi. La scelta del metallo giusto ci apre a infinite possibilità di produzione additiva!

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