Il ruolo dei materiali metallici nelle tecniche di
Additive Manufacturing (AM)
Processi di fabbricazione polveri, caratterizzazione di
prodotto, metallurgia di processo
O.Tassa, M.Murri (Centro Sviluppo Materiali)
Convegno “Stampa 3D tra prototipo e prodotto”
Fiera Milano, 1 Ottobre 2014
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L’approccio di sistema
L’evoluzione tecnologica dei sistemi di ALM (dalla prototipazione al
manufacturing) consente un reale vantaggio competitivo se vengono
governate:
- l’intera filiera tecnologica - dalle materie prime (polveri nel
caso di metalli) alle lavorazioni e trattamenti finali;
- le necessarie competenze di processo riassumibili in una
«metallurgia di processo/prodotto delle tecnologie additive»
Il ruolo strategico dei materiali
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Aree di intervento sui materiali
Alloy design e fabbricazione polveri
Metallurgia di processo
Messa a punto di trattamenti post processo
Caratterizzazione meccanica-microstrutturale
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Alloy design (1/2)
Obiettivo
• Supportare la progettazione di composizioni innovative per il processo ALM
mediante un approccio modellistico che prevede l’utilizzo di codici di calcolo
termodinamico e cinetico.
•Nel caso di superleghe base Ni, l’obiettivo è quello di definire composizioni
processabili con tecnologia ALM tali da assicurare elevata resistenza al creep
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Alloy design (2/2)
• Tecnologie basate su un fascio laser (Selective Laser Melting, SLM) o
elettronico (Electron Beam Melting, EBM) → modalità di solidificazione rapida
della polveri metalliche.
• La solidificazione rapida → formazione di strutture metastabili e molto
segregate, che possono essere intrinsecamente fragili.
• Le velocità di solidificazione tipicamente raggiunte con questo tipo di processi
sono simili a quelle ottenute nei processi di saldatura (~103-108K/s).
• Nelle superleghe base Ni → problemi di criccabilità a caldo per:
- fenomeni di micro-segregazione
- formazione di ossidi (ridotto per SLM in atmosfera protetta).
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Metallurgia di processo
1. Processi ALM caratterizzati da solidificazione rapida e associabili ai processi di
saldatura, per es. saldatura laser, in termini di condizioni di solidificazione
2. Nei processi ALM la saldabilità può essere considerata come un’indicazione
della processabilità mediante ALM ed in particolare SLM
Alta frazione ’:
elevata suscettibilità alla
formazione di cricche
Bassa frazione ’:
bassa suscettibilità alla
formazione di cricche
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Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici
Lega base Ni: la saldabilità dipende da 2 modalità di formazione di difetti
1. Formazione di difetti
durante la solidificazione
2. Formazione di difetti
durante il raffreddamento
In presenza di stress termici, durante la
deposizione laser, si possono formare
cricche in corrispondenza di zone
localizzate di fase liquida.
Difetti (cricche) generati da una diminuzione di
duttilità
del
materiale
in
fase
di
raffreddamento.
1. Solidificatin cracking (Hot tearing)
3. Strain-age cracking (SAC)
Formazione di cricche dovute alla permanenza di
liquido residuo fortemente segregato fino a basse
temperature.
Formazione di fasi indurenti durante la permanenza
dello strato solidificato in un certo intervallo di
temperatura critico (in funzione della fase).
2. Liquation cracking
Formazione di cricche dovuta a rifusione
localizzata negli strati sottostanti (a bordo grano
in corrispondenza di basso-fondenti).
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4. Ductility-dip cracking
Formazione di difetti associato alla formazione di
micro-vuoti al bordo grano.
Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici
La saldabilità di una lega base Ni
dipende anche dalla morfologia di
solidificazione che è, a sua volta,
funzione delle modalità di
raffreddamento.
I processi ALM sono caratterizzati:
•solidificazione rapida
•raffreddamento rapido
•Morfologia della microstruttura
complessa da prevedere con
modelli matematici dedicati.
Modelli CSM di previsione della struttura
di solidificazione
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Tecnologie
ALMeesviluppi
sviluppi
metallurgici
Tecnologie ALM
metallurgici
Velocità di raffreddamento controlla la precipitazione della fase ’
• Velocità di raffreddamento >100°C/s: ’ non precipita
• Velocità di raffreddamento <100°C/s: frazione ’ aumenta al diminuire della velocità di
raffreddamento
Frazione ’ maggiori
Aumento stress di deformazione
Maggiore suscettibilità alla formazione di difetti in fase solida
Modelli CSM di previsione della cinetica
di formazione di fasi infragilenti
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Leghe intermetalliche base Ti
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Leghe intermetalliche base Ti
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Leghe intermetalliche base Ti
Conclusions
Electron Beam Melting is a versatile technology for additive manufacturing of
complex metal parts from metal powders. Gamma titanium aluminide, Ti-48Al-2Cr2Nb is the most recent material proven to work in the EBM process.
A preliminary assessment of the mechanical properties shows very promising
results:
The desired fine grain duplex microstructure was obtained by a proper heat
treatment
Hot isostatic pressing efficiently eliminates residual porosity in the as-processed
material
The tensile properties are comparable to literature data on cast alloy over a large
temperature range
The specific creep properties are comparable to Ni-base superalloys.
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Dotazioni di filiera e leghe trattate
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Sistema Stereolitografico:
3D System Viper Si2
Dotazioni
Volume di lavoro:
250x250x250 mm
Layer Thickness:
0.05 ÷ 0.10 mm
Materiale:
Resina Epossidica
Applicazioni:
Testing di assemblaggio
Prototipi funzionali
Investment Casting
Sistema di Sinterizzazione Diretta di
polveri Metalliche (SLS):
EOS Eosint-M 250
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Volume di lavoro :
250x250x120 mm
Layer Thickness: 0.02 ÷ 0.05 mm
Materiale: Polveri metalliche
Applicazioni tipiche: stampi per iniezione,
Direct Part
Dotazioni di filiera
VACUM
INDUCTION
MELTING (VIM)
For ingots
manufacturing
and investment
casting
VACUUM INERT
GAS ATOMISATION
(VIGA)
For powder
manufacturing
Components:
INVESTMENT CASTING
EBM
VIGA
SLS
ADDITIVE LAYER
MANUFACTURING
VIM
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Materiali
EBM
Leghe intermetalliche base Ti
SLM
Leghe leggere base Al per aerospazio
EBM
Leghe per applicazioni speciali
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Superleghe base nickel per Oil & Gas
Possibili aree di intervento
Esperienza e dotazioni CSM sono a disposizione per:
• Individuazione di soluzioni in funzione delle specifiche esigenze
di manufacturing
• Supporto alla progettazione dei manufatti in funzione della
geometria del pezzo, tolleranze di forma e dimensioni,
numerosità, materiale, ecc...
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Grazie per l’attenzione!
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Dr.ssa Oriana Tassa
[email protected]
Dr.ssa Maria Murri
[email protected]
N°23
