Riassunto analitico
Con il termine manifattura additiva (additive manufacturing), comunemente conosciuta anche come stampa 3D, si intende un gruppo di tecnologie produttive che, a partire dalla definizione matematica di un oggetto tramite modello CAD tridimensionale, permettono di ricostruire l’oggetto attraverso la deposizione di materiale in strati successivi e quindi in modo additivo. A differenza delle tradizionali tecniche di produzione, la costruzione additiva permette una completa libertà di progettazione ed è di particolare interesse nella prototipazione, per la produzione ad esempio di piccoli lotti di pezzi, oggetti personalizzati e componenti di ricambio. La tecnologia Fusione laser selettiva di metalli (in inglese: Selective Laser Melting o SLM, o LPBF Laser Powder Bed Fusion) anche conosciuta con gli acronimi DMLS (Direct Metal Laser Sintering) è una tecnologia di Stampa 3D impiegata per realizzare parti in metallo a partire da un letto di polveri metalliche fuse per mezzo di un laser a alta potenza (dai 100 ai 1500 W) e con un fascio concentrato (di diametro di circa 100 µm). In generale, i tempi di fusione e solidificazione sono di pochi millisecondi, quindi in virtù di questa elevata velocità di raffreddamento in solidificazione, la microstruttura che si ottiene presenta grani estremamente fini. L’obiettivo di questa attività di ricerca è l’implementazione, su un sistema LPBF, di polveri di acciaio per applicazioni ad alta temperatura pressoché prive di cobalto. Il cobalto è infatti una materia prima che pone seri problemi sia per i suoi effetti sulla salute, sia per l’approvvigionamento. L’accesso affidabile e senza ostacoli a determinate materie prime è una preoccupazione crescente all’interno dell’Unione europea e in tutto il mondo. Per affrontare questa sfida, la commissione europea ha creato un elenco di materie prime critiche (CRM) per l’UE, che è soggetto a regolare revisione e aggiornamento. La maggior parte delle materie prime critiche è importata (con punte del 90% per quanto riguarda il cobalto) ed è prodotta in pochi paesi, in tanti casi instabili dal punto di vista geopolitico, che ne determinano il mercato a livello globale. Il cobalto è contenuto in molte leghe per alte temperature, come gli acciai maraging (1.2709), così come in superleghe. In questo ambito, l’ulteriore requisito di poter utilizzare leghe pressochè prive di cobalto in processi LPBF, introduce ulteriori restrizioni ai materiali metallici che presentano una buona saldabilità. In questo lavoro di tesi, dopo un’analisi delle polveri cobalt-free disponibili sul mercato, in grado di posizionarsi nell’area occupata dall’acciaio Maraging in figura (nella tesi), si è proceduto alla definizione dei parametri di processo utili ad ottenere un materiale a minima percentuale di porosità e allo sviluppo di trattamenti termici di solubilizzazione e invecchiamento atti a massimizzarne le proprietà meccaniche.
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Abstract
The term additive manufacturing, also commonly known as 3D printing, refers to a group of manufacturing technologies that, starting with the mathematical definition of an object by means of a three-dimensional CAD model, allow the object to be reconstructed through the deposition of material in successive layers and thus in an additive manner. Unlike traditional manufacturing techniques, additive manufacturing allows complete design freedom and is of particular interest in prototyping, for the production of, for example, small batches of parts, custom objects and replacement parts. Selective Metal Laser Melting (English: Selective Laser Melting or SLM, or LPBF Laser Powder Bed Fusion) also known by the acronyms DMLS (Direct Metal Laser Sintering) is a 3D Printing technology used to fabricate metal parts from a bed of metal powders fused by means of a high-power laser (100 to 1500 W) and with a concentrated beam (about 100 µm in diameter). In general, melting and solidification times are only a few milliseconds, so by virtue of this high cooling rate in solidification, the resulting microstructure has extremely fine grains. The goal of this research activity is to implement, on an LPBF system, steel powders for high-temperature applications that are nearly cobalt-free. Cobalt is in fact a raw material that poses serious problems both for its health effects and for supply. Reliable and unhindered access to certain raw materials is a growing concern within the European Union and around the world. To address this challenge, the European Commission has created a list of critical raw materials (CRMs) for the EU, which is subject to regular review and update. Most critical raw materials are imported (with peaks of 90 percent for cobalt) and are produced in a few countries, in many cases geopolitically unstable, which determine their market globally. Cobalt is contained in many high-temperature alloys, such as maraging steels (1.2709), as well as in superalloys. In this area, the additional requirement to be able to use alloys almost free of cobalt in LPBF processes introduces further restrictions on metallic materials that exhibit good weldability. In this thesis work, after an analysis of commercially available cobalt-free powders capable of positioning themselves in the area occupied by the Maraging steel in the figure (in the thesis), the process parameters useful for obtaining a material with a minimum percentage of porosity were defined and solubilization and aging heat treatments suitable for maximizing its mechanical properties were developed.
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