Quali materiali metallici vengono utilizzati nella stampa 3D?

I metalli sono materiali dotati di buona conduttività elettrica, conduttività termica e plasticità. Sono generalmente costituiti da elementi metallici o leghe e presentano elevata resistenza meccanica, durezza e resistenza alla corrosione. I metalli trovano impiego in tutti i settori della produzione industriale, dell’edilizia, dell’elettronica e dell’aerospaziale. Le loro proprietà fisiche, chimiche e di lavorabilità li rendono fondamentali non solo nella produzione convenzionale, ma anche nella stampa 3D in metallo.

I metalli attualmente utilizzati nella stampa 3D includono l’acciaio inossidabile, le leghe di titanio, le leghe di alluminio, le leghe di nichel, le leghe di rame e le leghe di ferro. Questi materiali presentano generalmente elevata resistenza e durezza e sono spesso difficili da lavorare con i metodi convenzionali, il che rende la produzione additiva particolarmente interessante. Le polveri metalliche per la stampa 3D richiedono normalmente elevata purezza, buona sfericità, una distribuzione granulometrica ristretta e un basso contenuto di ossigeno. Processi quali la fusione selettiva al laser e la fusione a fascio di elettroni consentono di produrre rapidamente parti metalliche personalizzate con forme complesse.

Acciaio inox

L'acciaio inossidabile è composto da ferro, cromo, nichel e altri elementi di lega, con il cromo come principale elemento aggiunto. Offre una buona saldabilità, resistenza alla corrosione chimica, resistenza alle alte temperature, prestazioni meccaniche e proprietà igieniche adatte al contatto con prodotti alimentari e farmaceutici. La polvere di acciaio inossidabile si forma facilmente, è semplice da preparare ed è relativamente economica, il che la rende uno dei primi metalli utilizzati nella stampa 3D.

Tra le applicazioni figurano componenti strutturali e portanti, tubi, serbatoi, porte, finestre, ringhiere, prodotti decorativi, attrezzature per l’industria alimentare, dispositivi medici e apparecchiature chimiche. I tipi di acciaio inossidabile comunemente utilizzati nella stampa 3D dei metalli includono gli acciai austenitici 316L e 304L e gli acciai martensitici a indurimento per precipitazione 15-5PH e 17-4PH.

Leghe di alluminio

Le leghe di alluminio combinano l'alluminio con elementi quali rame, zinco e magnesio. Le loro proprietà specifiche dipendono dai tipi e dalle quantità degli elementi di lega. Le leghe di alluminio presentano bassa densità, elevata resistenza specifica e rigidità, buona colabilità e plasticità, buona resistenza alla corrosione e resistenza alla fatica relativamente elevata. Sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, dei trasporti, dell’edilizia, dei prodotti elettromeccanici, dell’industria leggera e dei beni di consumo.

Le leghe di alluminio utilizzate nella stampa 3D metallica includono AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060 e 6061. L'AlSi12 è una polvere leggera con buone proprietà termiche ed è adatta per componenti aerospaziali e automobilistici a pareti sottili, come gli scambiatori di calore. L'AlSi10Mg offre elevata resistenza e durezza per componenti a pareti sottili e geometrie complesse, specialmente laddove sono richieste buone prestazioni termiche e una massa ridotta.

Leghe di titanio

Le leghe di titanio combinano un’elevata resistenza con una bassa densità, una buona tenacità, resistenza alla corrosione e biocompatibilità. Sono fondamentali in applicazioni mediche, aerospaziali e automobilistiche. Il titanio è un tipico materiale difficile da lavorare: è difficile da tagliare e assorbe facilmente idrogeno, ossigeno, azoto e carbonio durante la lavorazione a caldo. La stampa 3D in metallo è particolarmente indicata perché consente di realizzare strutture complesse mantenendo al contempo proprietà meccaniche utili. L’atmosfera protettiva limita le reazioni con l’ossigeno e l’azoto, mentre il riscaldamento e il raffreddamento rapidi e localizzati limitano l’evaporazione degli elementi di lega.

I materiali in titanio attualmente utilizzati per la stampa 3D comprendono il titanio commercialmente puro, il Ti6Al4V (TC4) e il Ti6Al17Nb. Le principali applicazioni includono componenti aerospaziali e impianti medici, quali ossa e denti.

Leghe a base di nichel

Le leghe a base di nichel mantengono un’elevata resistenza meccanica e resistenza all’ossidazione e alla corrosione a temperature comprese tra 650 e 1000 °C. Le loro proprietà meccaniche e la resistenza all’ossidazione e alla corrosione a caldo le rendono adatte a impieghi ad alta temperatura e sotto forti sollecitazioni. Le leghe di nichel prodotte con tecniche di produzione additiva possono essere utilizzate per componenti della sezione calda dei motori aeronautici, quali dischi e pale di turbina, migliorando la stabilità del motore e l’efficienza termica. Una lega a base di nichel contenente titanio 50% in massa presenta un forte effetto di memoria di forma e viene impiegata per le strutture dei veicoli spaziali e i motori dei cuori artificiali. Tra le superleghe di nichel consolidate per la stampa 3D figurano l’Inconel 625 (IN625), l’Inconel 718 (IN718) e l’Inconel 939 (IN939).

Leghe a base di cobalto

Le leghe a base di cobalto contengono cobalto come elemento principale, insieme a nichel, cromo, tungsteno e piccole quantità di molibdeno, niobio, tantalio, titanio, lantanio e altri elementi aggiuntivi. La loro elevata resistenza meccanica, la resistenza alla corrosione e la biocompatibilità ne hanno determinato l’impiego fin dai primi tempi nelle protesi articolari. Oggi sono ampiamente utilizzate per protesi dentarie personalizzate e componenti di motori. Tra i gradi comunemente utilizzati nella stampa 3D figurano Co212, Co452, Co502 e CoCr28Mo6.

Leghe di rame

Le leghe di rame utilizzano il rame come elemento di base. Poiché il rame possiede proprietà antimicrobiche, queste leghe vengono impiegate nelle apparecchiature mediche e in prodotti soggetti a frequenti contatti, come le maniglie delle porte dei luoghi pubblici. La polvere di rame presenta un’elevata riflettività laser e un basso assorbimento, motivo per cui è stata a lungo considerata difficile da stampare. Negli ultimi anni, tuttavia, molte aziende sono riuscite a realizzare stampe 3D in leghe di rame. Le materie prime disponibili includono polveri di leghe di rame, compositi a matrice di rame e filo di lega di rame.

Metalli liquidi

I metalli liquidi utilizzati nella stampa 3D sono in genere leghe di gallio e indio non tossiche che rimangono liquide a temperatura ambiente, tra cui le leghe di gallio-indio e gallio-indio-stagno. La loro superficie si indurisce a contatto con l’aria, mentre l’interno rimane liquido. La loro conduttività elettrica offre la possibilità di stampare circuiti stampati in metallo liquido.

Nel 2017, il Laboratorio di Criogenia e Scienze Mediche dell’Istituto Tecnico di Fisica e Chimica dell’Accademia Cinese delle Scienze ha proposto la stampa 3D con metallo liquido in sospensione. Il processo utilizza una lega liquida di gallio e indio come materiale di stampa e un idrogel autopolimerizzante come supporto. Un ugello estrude in modo continuo il metallo liquido a temperatura ambiente, mentre l’idrogel ne sostiene e ne fissa la forma. La deposizione strato per strato consente di creare strutture metalliche tridimensionali altamente complesse e flessibili. Tra le potenziali applicazioni figurano l’elettronica 3D flessibile, l’assemblaggio di robot morbidi, l’incapsulamento di materiali e la biomedicina.

Altri metalli

Anche l'oro, l'argento, il niobio, lo zirconio, le leghe di magnesio e altri metalli possono essere stampati in 3D.