1. Proprietà e restrizioni dei materiali
Mentre le leghe di alluminio sono piuttosto popolari ma presentano molte difficoltà nel processo di stampa 3D, i materiali solitamente utilizzati nella stampa 3D di metalli sono le leghe di titanio, leghe ad alta temperatura e le leghe di rame. Il basso assorbimento del laser e l'elevata conduttività termica della lega di alluminio causano una notevole perdita di energia e una bassa efficienza di formatura. Inoltre, le leghe di alluminio sono soggette a deformazione e accumulo di stress durante la deposizione laser; pertanto, è necessario eseguire ulteriori misure preventive per evitare la rottura delle parti.
Difficile da rimuovere e influenza la qualità dei componenti, la lega di alluminio tende anche a reagire con l'ossigeno durante la deposizione diretta tramite laser per formare Al ₂ O ∙ ad alto punto di fusione. Gli elementi leganti a basso punto di ebollizione (come Zn e Si) nelle leghe di alluminio tendono a bruciare durante la deposizione laser, che altera la composizione della lega e quindi influenza la microstruttura e le caratteristiche dei componenti. I limiti di queste qualità dei materiali limitano l’uso delle leghe di alluminio nella stampa 3D di parti di astronavi.
2. Inconvenienti delle metodologie di produzione
Inoltre, la stessa stampa 3D in metallo comporta alcune restrizioni nel processo di produzione. Una delle tecnologie di stampa 3D in metallo più utilizzate, ad esempio, la tecnologia Laser Powder Bed Melting (L-PBF) ha un’efficienza produttiva piuttosto bassa, in particolare nelle operazioni di post-elaborazione che coinvolgono pezzi geometrici complessi. Durante la lavorazione CNC, quanto più difficile è identificare e bloccare, tanto più complicata è la forma geometrica del pezzo, con conseguente aumento dei costi e dei tempi di produzione.
Inoltre durante il processo di stampa 3D in metallo vengono prodotti fumo e spruzzi, che possono influenzare la riutilizzabilità della polvere e aumentare i costi di produzione. Le prestazioni e la qualità dei prodotti finiti sono molto influenzate dalle azioni di post-elaborazione, tra cui la rimozione delle particelle, il trattamento termico, la lavorazione meccanica e anche la lucidatura della superficie. In particolare per i componenti strutturali complessi creati mediante fusione a letto di polvere, le tecniche di rimozione del supporto di processo sono poche e per la rimozione vengono comunemente utilizzate pinze, il che aumenta il pericolo di deformazione e danneggiamento delle parti e complica la garanzia di coerenza della qualità.
3. Linee guida e difficoltà per la prestazione fisica
Bassa densità, ottimo modulo elastico, elevata resistenza e grande tenacità definiscono standard di prestazioni fisiche molto elevati per i componenti dei veicoli spaziali. Questi criteri limitano la scelta del materiale di stampa 3D in metallo e l’approccio alla progettazione. Ad esempio, sebbene la lega di alluminio abbia una bassa densità, le restrizioni fisiche durante il processo di stampa 3D rendono difficile soddisfare i criteri di elevata resistenza e grande tenacità.
Inoltre, il funzionamento a lungo termine dei componenti dei veicoli spaziali in orbita richiede condizioni ambientali robuste, tra cui alta temperatura, bassa temperatura, vuoto e radiazioni. Questi elementi ambientali impongono aspettative piuttosto elevate sulla stabilità del materiale. Cambiamenti nella microstruttura e nella composizione di fase del materiale possono derivare dalla stampa 3D in metallo, influenzandone quindi la stabilità e l’affidabilità a lungo termine.
4. Preoccupazioni relative alla certificazione tecnica e grado di maturità
Sebbene la tecnologia di stampa 3D in metallo abbia ampie possibilità di utilizzo nella progettazione di componenti di veicoli spaziali, il suo sviluppo tecnologico deve ancora essere migliorato. La mancanza di certificazione rende difficile l’adozione di molte leghe per la produzione additiva da parte del settore aerospaziale. La procedura di certificazione presenta sfide per il progresso e l'uso delle nuove tecnologie poiché richiede tempo e molti dati sperimentali da supportare.
Allo stesso tempo, la scelta della tecnica di stampa 3D in metallo è un compito difficile. Dovrebbero essere presi in considerazione gli elementi di progettazione, gli input di processo, le restrizioni di processo, le preoccupazioni metallurgiche e geometriche, tra gli altri fattori. Questi elementi interagiscono per complicare e sfidare la scelta del processo.
5. Direzione dello sviluppo futuro
Sebbene la stampa 3D in metallo presenti diversi vincoli fisici, le sue possibilità di applicazione nella progettazione di componenti di veicoli spaziali sono ancora piuttosto ampie. Quanto segue potrebbe far parte della futura direzione di sviluppo:
Sviluppo di nuovi materiali: crea nuovi materiali più adatti alla stampa 3D, tra cui leghe di titanio, leghe ad alta temperatura e leghe di alluminio ad alte prestazioni. Le eccellenti qualità fisiche e di lavorazione di questi nuovi materiali dovrebbero aiutare a soddisfare le rigorose esigenze dei componenti delle astronavi.
Miglioramento del processo: il miglioramento delle attuali tecniche di stampa 3D contribuirà ad aumentare la qualità dei componenti e l’efficienza della produzione. Ad esempio, l’efficienza della formatura e le prestazioni delle parti possono essere migliorate massimizzando i parametri laser, le proprietà della polvere e le tecniche di post-elaborazione.
La certificazione tecnica sta stabilendo un intero sistema di certificazione e standard, rafforzando così gli sforzi di certificazione per la tecnologia di stampa 3D in metallo. Ciò sosterrà l’implementazione e la diffusione di nuove tecnologie nel settore aerospaziale.
Rafforzare la cooperazione multidisciplinare in settori quali scienza dei materiali, ingegneria meccanica e informatica per affrontare in modo collaborativo i vincoli fisici e gli ostacoli tecnologici della stampa 3D metallica nella progettazione di componenti di veicoli spaziali.
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