Rendere più forti le leghe stampate in 3D utilizzando gli ultrasuoni


Leghe di titanio stampate in 3D al microscopio elettronico: il campione a sinistra con grandi cristalli allungati è stato stampato convenzionalmente, mentre il campione a destra con cristalli più sottili e più corti è stato stampato seduto su un generatore ad ultrasuoni. Credito: RMIT University

I ricercatori hanno usato le vibrazioni sonore per scuotere i grani di lega metallica in una formazione più stretta durante la stampa 3D.

Uno studio appena pubblicato su Nature Communications il 9 gennaio 2020, mostra che le onde sonore ad alta frequenza possono avere un impatto significativo sulla microstruttura interna delle leghe stampate in 3D, rendendole più coerenti e più forti di quelle stampate convenzionalmente.

L’autore principale e candidato di dottorato presso la Scuola di Ingegneria della RMIT University, Carmelo Todaro, ha detto che i risultati promettenti potrebbero ispirare nuove forme di produzione additiva.

“Se si guarda la struttura microscopica delle leghe stampate in 3D, sono spesso costituite da cristalli grandi e allungati”, ha spiegato Todaro.

“Questo può renderli meno accettabili per le applicazioni ingegneristiche a causa delle loro scarse prestazioni meccaniche e della maggiore tendenza a rompersi durante la stampa.

 

Carmelo Todaro e Ma Qian ispezionare un cubo in lega di titanio stampato in 3D sulla punta di un’asta a ultrasuoni. Credito: RMIT University

“Ma la struttura microscopica delle leghe a cui applicavamo gli ultrasuoni durante la stampa sembrava notevolmente diversa: i cristalli di lega erano molto fini e completamente equiaxed, il che significa che si erano formati ugualmente in tutte le direzioni in tutta la parte metallica stampata.”

I test hanno mostrato che queste parti hanno avuto un miglioramento del 12% della resistenza del tensile e dello stress di resa rispetto a quelle effettuate dalla produzione additiva convenzionale.

Il team ha dimostrato il loro approccio ecografico utilizzando due principali leghe commerciali di grado: una lega di titanio comunemente utilizzata per parti di aeromobili e impianti biomeccanici, nota come Ti-6Al-4V, e una superalloy a base di nichel spesso utilizzata in mare e petrolio industrie chiamate Inconel 625.

Visualizzazione della struttura del grano in Inconel 625 stampato in 3D ottenuta accendendo e disattivando l’ecografia durante la stampa. Credito: RMIT University

Semplicemente accendendo e spegnendo il generatore di ultrasuoni durante la stampa, il team ha anche mostrato come parti specifiche di un oggetto stampato in 3D possono essere fatte con diverse strutture microscopiche e composizioni, utili per ciò che è noto come classificazione funzionale.

Il coautore dello studio e supervisore del progetto, il Distinguished Professor Ma Qian di RMIT, ha dichiarato di sperare che i loro risultati promettenti suscitano interesse per dispositivi a ultrasuoni appositamente progettati per la stampa 3D in metallo.

“Anche se abbiamo usato una lega di titanio e un superalloy a base di nichel, ci aspettiamo che il metodo possa essere applicabile ad altri metalli commerciali, come acciai inossidabile, leghe di alluminio e leghe di cobalto”, ha detto Qian.

“Prevediamo che questa tecnica può essere scalata per consentire la stampa 3D della maggior parte delle leghe metalliche rilevanti industrialmente per parti strutturali ad alte prestazioni o leghe strutturalmente classificate.”

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Riferimento: “Controllo della struttura del grano durante la stampa 3D in metallo con ultrasuoni ad alta intensità” di C. J. Todaro, M. A. Easton, D. Qiu, D. shang, M. J. Bermingham, E. W. Lui, M. Brandt, D. H. StJohn e M. Qian, 9 gennaio 2020, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-019-13874-z

Questa ricerca è stata condotta presso l’Advanced Manufacturing Precinct della RMIT University e sostenuta da una sovvenzione del Progetto di scoperta dell’Australian Research Council.