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I metalli sono utilizzati quasi ovunque in molti settori industriali per una grande varietà di scopi. Oltre che per l’edilizia e la produzione di veicoli, i metalli sono utilizzati principalmente come conduttori e semiconduttori rivestimenti, componenti elettronici o parti dell’involucro nell’ingegneria elettrica. In particolare, nel settore automobilistico , medicina e aerospaziale le applicazioni sono spesso molto specializzate e richiedono strutture piccole e precise. Per realizzarle, in passato sono stati sviluppati metodi di produzione sempre più moderni, ognuno dei quali ha portato a una maggiore precisione a costi inferiori e a un minore consumo di materiali. I cosiddetti processi di stampa 3D, in particolare, rappresentano un importante passo avanti in questo senso.
Processo di stampa 3D con metalli
Sinterizzazione laser diretta di metalli
La sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS, nota anche come LPBF – Laser Power Bed Fusion), che si basa sul processo di fusione a letto di polvere, è uno dei principali processi di stampa 3D con i metalli. In questo processo, il metallo viene presentato sotto forma di polvere e fuso localmente con precisione millimetrica da una fonte di energia, solitamente un laser, per creare una struttura 3D.
Nel CLAD (laser deposition welding o cladding, noto anche come processo DED – dorect emergy deposition), una polvere metallica viene applicata da un ugello in un processo molto simile a quello di una vera stampante. Tuttavia, la polvere viene fusa direttamente con un laser all’uscita dell’ugello in modo che il metallo liquido possa essere stampato direttamente.
Una combinazione di produzione e lavorazione additiva è il cosiddetto processo di taglio a freddo o spruzzatura a gas freddo. In questo caso, le sottili particelle di metallo vengono pressate attraverso un ugello ad alta pressione con un gas vettore (solitamente elio) in modo che si deformino plasticamente quando colpiscono un substrato, formando uno strato che può essere lavorato direttamente senza fondere. Tuttavia, questo processo è raramente utilizzato a causa dei suoi costi elevati.
Getto di legante metallico
Esiste anche il processo di iniezione di legante metallico. Come nel caso del processo a letto di polvere di plastica, il metallo viene mescolato con un legante e legato per formare una massa omogenea. Il pezzo verde risultante viene poi liberato dal legante tramite processi termici, ad esempio bruciando o riscaldando al laser, e modellato nella sua forma finale.
Modellazione a deposizione fusa
Simile al processo di plastica, c’è anche la modellazione a deposizione fusa (FDM), in cui un filamento metallico (solitamente composto da metalli o leghe a basso punto di fusione) viene semplicemente riscaldato finché non si ammorbidisce e poi applicato a strati tramite un ugello.
Tutti questi processi hanno in comune il fatto di non funzionare con tutti i metalli. I metalli più comuni per la stampa 3D metallica sono l’alluminio e le sue leghe, gli acciai e le leghe di ferro, nonché materiali come il gallio, l’indio, il titanio, il cobalto o il cromo.
Nonostante i costi relativamente elevati, oggi vengono utilizzati anche metalli preziosi come l’oro e l’argento. Tuttavia, in questo caso la modellazione è un po’ più difficile. I metalli pesanti e quelli molto duri o refrattari sono poco o per nulla utilizzati.
Applicazioni della 3D-Druck metallica
Le applicazioni più comuni della stampa 3D metallica sono principalmente la prototipazione e la ricerca e sviluppo, soprattutto se devono essere prodotte solo singole parti e non in serie. In questo caso, la realizzazione di uno stampo per un pezzo fuso è spesso molto costosa e può essere abilmente evitata con la stampa 3D.
Anche i costi energetici risparmiati rispetto a un pezzo stampato non sono trascurabili. Lo stesso vale per il risparmio di materiale sulla materia prima metallica, spesso costosa. Inoltre, i vantaggi della stampa 3D con i metalli non possono essere negati, in particolare nel caso di impianti personalizzati nella tecnologia medica o di parti di ricambio per macchinari appositamente adattati.
A differenza della 3D-Durck di ceramica o polimeri, non tutte le forme o strutture possono essere facilmente realizzate con la sinterizzazione dei metalli o la stampa a gas freddo, poiché i diversi metalli hanno zone di fusione molto diverse e quindi non è sempre possibile applicare miscele o strati specifici. Tuttavia, sono in corso ulteriori ricerche su questi metodi per aprire in futuro possibilità di applicazione ancora più flessibili e diversificate.
Vantaggi della 3D-Drucks con i metalli:
- Non è necessario costruire uno stampo
- Risparmiare sui costi energetici
- Risparmio di materie prime metalliche
- Possibilità di produzione personalizzata di singoli pezzi
Analisi termica dei metalli stampati in 3D
- Mediante il DSC i punti di fusione è possibile determinare i punti di fusione e le transizioni di fase e ottimizzare le leghe per l’utilizzo nella stampa 3D. ( Applicazione dell’acciaio legato )
- Mediante dilatometria è possibile mostrare il comportamento di espansione, la durezza e le transizioni di fase. ( Applicazione con il ferro )
- La conducibilità termica e le proprietà di trasporto del calore sia dei prodotti polimerizzati che delle polveri e delle leghe possono essere facilmente caratterizzate utilizzando i metodi THB e laser flash. ( Applicazione con rame e alluminio )
Anche le proprietà termoelettriche come la resistenza elettrica, la conduttività e il coefficiente di Seebeck possono essere determinate con precisione grazie ai moderni metodi di analisi termica. ( Applicazione con il rame )
