Quali sono i processi di produzione additiva in alluminio disponibili?

La bassa densità, l’elevata resistenza specifica e rigidità, la buona duttilità, l’eccellente conduttività elettrica e termica e la buona resistenza alla corrosione rendono le leghe di alluminio i materiali strutturali leggeri preferiti per le applicazioni aerospaziali, dei trasporti e navali. Con l’accorciarsi dei cicli di sviluppo dei prodotti, i processi convenzionali di fusione, colata e forgiatura faticano sempre più a soddisfare la domanda di componenti complessi e di precisione. La produzione deve essere efficiente, rispondere rapidamente alle modifiche progettuali e adattarsi in modo flessibile a geometrie complesse.

La produzione additiva consente di realizzare componenti fisici strato dopo strato. Nei settori aerospaziale, biomedico e dei trasporti ferroviari, questa tecnologia permette una produzione rapida di singoli pezzi o di piccoli lotti, una maggiore libertà di progettazione, la personalizzazione di forme complesse e tempi di immissione sul mercato più brevi, superando al contempo alcuni limiti di scala dei metodi convenzionali.

I processi di produzione additiva dell'alluminio vengono classificati principalmente in base al principio di funzionamento e alla fonte di calore: produzione additiva con laser, fascio di elettroni, arco elettrico, ultrasuoni e agitazione per attrito. Ciascuno di essi presenta caratteristiche di processo distinte.

Produzione additiva laser di leghe di alluminio

La produzione additiva laser utilizza una fonte di calore laser e offre un’elevata precisione di formatura, un numero relativamente ridotto di difetti interni e buone proprietà meccaniche. Normalmente si utilizza polvere di lega di alluminio. Gli spazi irregolari tra le particelle di polvere possono ridurre la densità del pezzo, mentre l’elevata riflettività laser della maggior parte delle leghe di alluminio riduce l’efficienza energetica. Il metodo viene quindi utilizzato principalmente per leghe di alluminio fuse o leghe con buona saldabilità.

Le due varianti principali sono la deposizione per fusione laser con alimentazione sincronizzata di polvere metallica e la fusione laser a letto di polvere. La prima prevede l'alimentazione continua della polvere; la seconda fonde con precisione strati successivi in un letto di polvere per formare strutture complesse.

Le leghe Al-Si presentano buone proprietà di fusione e di formatura a caldo e sono oggetto di numerosi studi. I ricercatori dell’Università Jiaotong di Xi’an hanno ottimizzato la potenza del laser, la velocità di scansione e la distanza tra le linee di scansione per la fusione selettiva laser dell’AlSi10Mg e hanno introdotto un modello di densità energetica che descrive la relazione tra apporto energetico e densità. A valori compresi tra 4,0 e 6,0 J/mm², la densità ha superato i 98%. L’Istituto di Ricerca sui Metalli dell’Accademia Cinese delle Scienze ha prodotto provini in AlSi10Mg con una densità di 99,63% e buone proprietà meccaniche, confrontando i trattamenti termici per il materiale orientato parallelamente alla piastra di stampa. La resistenza alla trazione orizzontale del materiale appena depositato ha raggiunto i 478 MPa, l’allungamento era di circa 8% e la durezza media era di circa 122 HV. Dopo un invecchiamento a 130 °C per 4 ore, i bagni di fusione hanno mantenuto una struttura di silicio completa a rete. La plasticità è aumentata a circa 11,91 TP33T pur mantenendo un’elevata resistenza, mentre la durezza media è salita a 133 HV, circa 91 TP33T in più rispetto al valore al momento della deposizione.

La lavorazione laser delle leghe di alluminio ad alta resistenza delle serie 2xxx e 7xxx continua a presentare difficoltà. I ricercatori stanno riducendo i difetti interni e migliorando le proprietà meccaniche attraverso l’ottimizzazione dei parametri, l’uso di nucleanti a base di nanoparticelle, la modifica della composizione e la post-lavorazione. Negli esperimenti di fusione laser a letto di polvere condotti con polveri di 7075 a diverso contenuto di silicio, l’affinamento dei grani indotto dal silicio ha ridotto significativamente la formazione di microfessurazioni.

Produzione additiva mediante fascio di elettroni di leghe di alluminio

La produzione additiva a fascio di elettroni si suddivide, in base al materiale di partenza, in fusione a letto di polvere con fascio di elettroni e produzione additiva con alimentazione a filo mediante fascio di elettroni.

La fusione a letto di polvere con fascio di elettroni utilizza un fascio di elettroni come fonte di calore in ambiente sottovuoto. Una scansione ad alta velocità riscalda e fonde la polvere metallica strato dopo strato per formare un componente. La produzione additiva a fascio di elettroni con alimentazione a filo fonde il filo alimentato in modo sincrono con un fascio ad alta energia e lo deposita strato dopo strato lungo un percorso definito da CAD fino a formare un componente denso. Poiché l’assorbimento del fascio di elettroni è più del doppio rispetto a quello di un raggio laser, questa tecnologia presenta un notevole potenziale per le leghe di alluminio ad alta resistenza.

La ricerca rimane limitata e si concentra principalmente sui processi a fascio di elettroni con alimentazione a filo. Il Centro di Ricerca Langley della NASA ha studiato la finestra di lavorazione della lega di alluminio 2219 e gli effetti della velocità di avanzamento, della velocità di alimentazione del filo e della potenza del fascio sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche. Brice, presso la Lockheed Martin Space Systems, ha prodotto campioni di alluminio 2139 mediante deposizione ad energia diretta con fascio di elettroni e ha valutato in che modo l’evaporazione del magnesio influenzasse la precipitazione e le prestazioni meccaniche; la perdita di magnesio ha raggiunto il 65% durante la deposizione. I ricercatori dell’Università di Tsinghua hanno studiato la lavorazione a letto di polvere con fascio di elettroni della lega di alluminio 2024. La corrente del fascio e la velocità di scansione hanno influenzato in modo significativo la densità relativa e la microstruttura. Lungo i bordi dei grani nella matrice di α-Al si sono formati precipitati contenenti rame, manganese e ferro. Parametri adeguati hanno permesso di ottenere una resistenza alla trazione fino a 314 MPa e un allungamento del 6%.

Produzione additiva ad arco di leghe di alluminio

La produzione additiva ad arco realizza i componenti strato dopo strato utilizzando una fonte di calore ad arco e un'alimentazione sincronizzata del filo. L'elevato sfruttamento del materiale, i costi relativamente contenuti delle attrezzature e un ampio volume di costruzione rendono questa tecnica adatta a strutture grandi e complesse. Tuttavia, l'elevato apporto termico di saldatura e la qualità superficiale e la precisione relativamente scarse richiedono solitamente una post-lavorazione sostanziale. La riduzione dell’apporto termico per migliorare la precisione e la qualità superficiale rappresenta uno degli obiettivi principali della ricerca.

La ricerca sulle leghe delle serie 6xxx e 7xxx è relativamente limitata. La saldatura ad arco con gas metallico e la saldatura ad arco con elettrodo di tungsteno hanno consentito di depositare con successo le leghe 4047, 5356, 2024 e 7075. I provini hanno mostrato una resistenza alla trazione superiore rispetto a quelli prodotti con metodi convenzionali e una grana più fine.

Il trasferimento a freddo ha inoltre permesso di ottenere provini in lega di alluminio 2319, 5087 e 5183 caratterizzati da grana fine, pochi pori e proprietà meccaniche migliorate. Nei depositi ottenuti mediante trasferimento a freddo della lega di alluminio 5336 non sono state osservate quasi per nulla strutture a grana equiassiale o colonnare, e la dimensione dei grani è diminuita con l’apporto di calore. L’apporto di calore determina la geometria, la microstruttura, i difetti e le proprietà meccaniche e chimiche. Un riscaldamento e un raffreddamento non uniformi durante la deposizione multistrato, specialmente in presenza di un elevato apporto di calore, possono causare accumulo di calore, grana grossa, tensioni residue e deformazioni. Una lavorazione di successo richiede il controllo di corrente, tensione, velocità di avanzamento del filo, velocità di traslazione e altre variabili.

Produzione additiva ad ultrasuoni di leghe di alluminio

La produzione additiva a ultrasuoni utilizza energia ultrasonica ad alta potenza. Le vibrazioni e l’attrito tra gli strati di lamina in lega di alluminio generano calore, favoriscono la diffusione atomica interfacciale e creano un legame metallurgico allo stato solido.

I ricercatori dell’Università di Tohoku, in Giappone, hanno studiato la microstruttura e la distribuzione interfacciale nella produzione additiva a ultrasuoni della lega di alluminio 6061. L’interfaccia ha un effetto significativo sulla microstruttura: la forza motrice della ricristallizzazione produce cambiamenti di fase microscopici nella regione interfacciale e all’interfaccia si formano dei pori.

Il funzionamento a bassa temperatura evita l’evaporazione degli elementi di lega e preserva le proprietà del giunto, rendendo il processo particolarmente adatto all’alluminio. Le restrizioni alle esportazioni di attrezzature avanzate e la limitata attività di ricerca a livello nazionale lasciano ampio spazio a ulteriori sviluppi. Non è stato ancora elaborato un modello teorico completo per la diffusione atomica all’interfaccia del materiale, né esiste un quadro unificato che descriva la deformazione plastica interfacciale e il riscaldamento per attrito. Ulteriori sviluppi sono fondamentali per garantire accuratezza, efficienza e commercializzazione.

Produzione additiva mediante agitazione per attrito di leghe di alluminio

La produzione additiva mediante agitazione per attrito si è sviluppata dalla saldatura per agitazione per attrito. Un utensile in rapida rotazione penetra nella lamiera di alluminio e si sposta lungo una direzione prestabilita. Il calore generato dall’attrito plastifica e ammorbidisce il materiale, che scorre dietro l’utensile per riempire la cavità e formare uno strato depositato. Il materiale aggiuntivo viene quindi sovrapposto e lavorato lungo lo stesso percorso. La fonte indica che le proprietà meccaniche risultanti possono eguagliare quelle dei pezzi forgiati, ma una parte di questa frase è incompleta.

I ricercatori della Northwestern Polytechnical University hanno introdotto la produzione additiva mediante agitazione per attrito con spalla fissa e hanno realizzato con successo componenti in lega di alluminio 7075-O ad alta resistenza. Hanno studiato il comportamento del flusso del metallo durante la deposizione e hanno osservato variazioni significative nella microstruttura e nelle proprietà meccaniche lungo la direzione di costruzione. Rispetto alla tradizionale tecnologia di agitazione per attrito con spalla rotante, nella tecnica con spalla fissa quest’ultima rimane immobile mentre il perno ruota ad alta velocità durante la saldatura; in questo modo si elimina la zona influenzata dalla spalla e si consente una produzione con forma quasi definitiva.

La produzione additiva mediante agitazione per attrito dell’alluminio 2024 ad alta resistenza ha prodotto una struttura ricristallizzata a grani fini equiassiali. La dimensione dei grani è diminuita dalla parte inferiore verso quella superiore del pezzo. La seconda fase si è ridissolta; il suo contenuto complessivo era nettamente inferiore rispetto a quello del substrato, ma aumentava dal basso verso l’alto. Sebbene evitare la fusione e la solidificazione riduca notevolmente i difetti interni, parametri di processo inadeguati possono comunque causare difetti interfacciali.

I ricercatori dell’Istituto di Tecnologia di Pechino hanno analizzato il meccanismo di formatura della produzione additiva mediante agitazione per attrito per l’alluminio 2024-O. Si sono concentrati sulle differenze direzionali nelle proprietà meccaniche e sulle loro cause, ottenendo una deposizione multistrato e multipassaggio priva di difetti.

Tendenze di sviluppo

La produzione additiva in alluminio presenta un forte potenziale sia in ambito militare che civile, poiché consente la realizzazione di forme complesse e di precisione, nonché la progettazione di componenti leggeri. Le principali linee di ricerca comprendono lo sviluppo di nuovi processi e lo studio approfondito delle relazioni tra processo, microstruttura e proprietà. La ricerca deve spiegare la formazione delle sollecitazioni e controllare l’entità e la distribuzione delle sollecitazioni residue, specialmente nei componenti grandi e complessi. Deve inoltre chiarire i meccanismi di trasferimento di massa, la solidificazione fuori equilibrio, il raffreddamento, la metallurgia fisica e le trasformazioni di fase nei bacini di fusione su microscala, in modo da poter controllare con precisione la microstruttura. Gli esperimenti, combinati con la simulazione numerica, consentono di prevedere i campi di temperatura e di gestire le zone termicamente alterate. Le apparecchiature ibride che combinano la produzione additiva e la fresatura possono migliorare la precisione di formatura e garantire una finitura accurata. I miglioramenti apportati ai processi e alle attrezzature possono eliminare la porosità, aumentare la densità e migliorare le proprietà meccaniche complessive, facendo progredire la tecnologia verso una maggiore precisione, efficienza e funzionalità.