Uno strumento potente

Il trattamento termico è una fase di post-lavorazione essenziale nella produzione additiva per adattare il materiale di quanto prodotto alle esigenze e ai requisiti specifici. La strada verso il successo è trovare la giusta combinazione di materiali e trattamento termico.

Markus Schneider, manager modeling, simulation and fatigue at GKN Sinter Metals in Germany.La produzione additiva (Additive manufacturing, AM) ci consente di produrre strutture metalliche complesse che non sarebbero state possibili attraverso metodi convenzionali. Ma senza la fase di post-lavorazione, le parti prodotte non sarebbero altro che pezzi di design chic, troppo fragili o porosi per applicazioni reali.

Sebbene le lavorazioni successive includano tutto, dalla rimozione di parti al trattamento della superficie, una delle fasi più importanti è il trattamento termico.

"Acciaio, ferro e molti altri elementi sono materiali polimorfici, il che significa che hanno diverse fasi cristallografiche in diversi intervalli di temperatura e pressione," afferma Markus Schneider, Manager del reparto Modellazione, simulazione e fatica di GKN Sinter Metals in Germania. "Di conseguenza, le loro proprietà fisiche - chimiche, termiche, elettriche, magnetiche o meccaniche - sono differenti poiché derivano dalla corrispondente microstruttura. Il trattamento termico è un metodo essenziale per affinare le proprietà del materiale".

Una meravigliosa, idea sostenibile

In effetti, afferma, il trattamento termico è uno strumento così potente che è quasi possibile utilizzare una sola lega e adattarla alle esigenze e ai requisiti specifici.

"È una straordinaria idea anche più sostenibile, in quanto il processo di riciclaggio sarebbe molto più semplice", afferma Schneider. "Tuttavia, i trattamenti termici da soli non possono coprire l'intero spettro delle proprietà dei materiali. Ovviamente, c'è ancora bisogno di elementi e processi specifici per le macro e le micro leghe. La giusta combinazione di materiali e trattamenti termici è essenziale".

Un altro forte argomento a favore del trattamento termico è il principio ingegneristico della qualità locale. "Gli aspetti economici e ambientali ci spingono a sviluppare una progettazione delle parti più intelligente", afferma. "In molti casi le proprietà dei materiali sfusi non hanno la stessa importanza delle proprietà dei materiali superficiali, dato che la superficie protegge la struttura da attacchi chimici, termici o meccanici. Questo vale per un gran numero di post-trattamenti, come rivestimento, sputtering, placcatura e trattamento termico".

Eliminazione delle tensioni interne

Un motivo basilare per applicare il trattamento termico post-lavorazione nella produzione additiva è la riduzione della tensioni interne residue. La tensionatura residua è causata dal riscaldo e dal raffreddamento del metallo durante la costruzione della parte strato dopo strato. Queste sollecitazioni interne devono essere eliminate prima che la parte venga rimossa dalla piastra di costruzione; in caso contrario, la parte potrebbe deformarsi o addirittura rompersi. "Questo metodo è un punto di svolta per la stampa di strutture piatte e sottili", afferma Schneider.

Altri processi di trattamento termico mirano a conferire alla parte specifica le sue proprietà finali. La gamma di opzioni di trattamento termico è simile a quella delle tecnologie concorrenti come lavorazione, fusione, stampaggio o forgiatura, sebbene leggermente inferiore a causa del minor numero di materiali per produzione additiva disponibili rispetto ad altri processi.

"Ma in generale, non vedo motivo per non applicare l'intera gamma di trattamenti termici", afferma Schneider. "Alcuni metodi non diventeranno importanti come negli altri settori. Ad esempio, la tempra a induzione è ideale per parti di forma regolare e simmetriche come anelli, tubi e ingranaggi. Il fattore limitante è la forma dell'induttore, che dovrebbe essere adattato alla forma della parte e alla cinematica. Le parti di produzione additiva con forme complesse rappresenteranno una sfida. La tempra a induzione presenta anche importanti svantaggi economici: a causa della grande quantità di automazione, la tempra a induzione è molto adatta per la produzione di massa".

In che modo il metodo della produzione additiva è legato alla scelta del trattamento termico?

"La maggior parte dei trattamenti termici è legata alla composizione chimica e non alla tecnologia di stampa", afferma Schneider. "Tuttavia, per i metodi di produzioni additiva in una fase come la fusione del letto di polvere e la deposizione diretta di energia, è possibile raggrupparli in termini di calore introdotto e distribuzione del calore. In presenza di una distribuzione del calore elevata e non uniforme (gradienti di temperatura, riscaldo o raffreddamento rapido) possono essere necessari trattamenti di ricottura dolce e distensione delle sollecitazioni residue. Nei metodi di produzione additiva a due fasi come il Binder Jetting, la sinterizzazione fa parte del processo di produzione per consolidare la parte verde dopo la stampa".

Scelta del processo

Poiché la scelta dei processi di trattamento termico è tipicamente legata alla composizione chimica del materiale, è possibile adottare molte conoscenze dalle procedure di trattamento termico per le strutture saldate, afferma Schneider.

Alcune parti, tuttavia, richiedono un tipo speciale di trattamento termico a seconda dei carichi, dei requisiti e delle applicazioni previsti. Ad esempio, gli ingranaggi in acciaio saranno temprati e le parti del telaio in alluminio saranno invecchiate.

"Il modo migliore per farlo è provare", afferma Schneider. "Prepara tagliandi di prova di fatica - o qualsiasi altro tipo di tagliando di prova e crea una linea S-N con e senza trattamento termico. Testa la resistenza alla corrosione (acciai inossidabili), la conduttività termica (rame), la resistenza (alluminio), il tasso di scorrimento (materiali a base di nichel e titanio) e così via, con e senza trattamento termico. Confronta i valori medi e le deviazioni standard corrispondenti".

Punti da considerare oltre la durezza

Schneider afferma che un errore comune è la convinzione che la tempra sia il fattore più importante per il trattamento termico post-lavorazione della produzione additiva.

"Sfortunatamente, è ancora molto comune correlare tutto alla durezza". "Il trattamento termico dovrebbe essere applicato per aumentare il valore, l'affidabilità e la sicurezza del prodotto. Per ottenere un prodotto affidabile è necessario conoscere quanto il materiale sia sensibile a intagli, sollecitazioni statiche e cicliche, tensioni residue, l'incrudimento, i difetti interni e la rugosità, la sua risposta al trattamento termico e la dipendenza dalla densità, il materiale e la dispersione di fabbricazione, nonché l'effetto della sua composizione chimica".

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