La domanda di componenti strutturali leggeri, ad alte prestazioni e sofisticati nel settore aerospaziale cresce ogni giorno con l’avanzare della tecnologia. Sebbene l’ascesa della tecnologia di stampa 3D abbia apportato miglioramenti radicali al settore manifatturiero aerospaziale, le tecniche di produzione convenzionali a volte presentano restrizioni significative in questi settori. Tra questi, il progresso della tecnologia di stampa 3D aerospaziale è stato molto facilitato dallo studio e dallo sviluppo di polveri metalliche migliorate.
La stampa 3D, a volte definita tecnologia di produzione additiva, è una tecnica per l'accumulo di materiale strato dopo strato per creare oggetti tridimensionali. La tecnologia di stampa 3D vanta un migliore utilizzo dei materiali, cicli di produzione più rapidi e una maggiore libertà di progettazione rispetto alla produzione sottrattiva convenzionale o ad alternative di produzione di materiali uguali. La tecnologia di stampa 3D è ampiamente applicata nei settori aerospaziali, tra cui la produzione leggera, l’ottimizzazione dei componenti del motore, la produzione di droni e la produzione di componenti per aeromobili.
In particolare nel settore aerospaziale, dove vi sono esigenze piuttosto elevate in termini di prestazioni della polvere metallica, la polvere metallica è una materia prima cruciale per la tecnologia di stampa 3D. Le polveri metalliche di alta qualità richiedono proprietà tra cui buona sfericità, scorrevolezza, distribuzione granulometrica adeguata ed elevata purezza. Queste proprietà influenzano direttamente la qualità e le prestazioni dei prodotti stampati in 3D, quindi lo sviluppo di polveri metalliche migliorate è diventato un driver principale per il miglioramento della tecnologia di stampa 3D aeronautica.
Due tecniche di preparazione spesso utilizzate nello studio e nello sviluppo di polveri metalliche sono il metodo di atomizzazione dell'argon con fusione per induzione sotto vuoto (VIGA) e il metodo dell'elettrodo rotante al plasma (PREP). Il metodo PREP può preparare polveri metalliche con elevata sfericità, superficie liscia, distribuzione granulometrica stretta e buona fluidità, che presenta vantaggi unici nel campo della stampa 3D; il metodo VIGA ha un'elevata resa di polvere fine ma problemi con polvere cava e polvere satellite. Lo sviluppo e l'aggiornamento di una nuova generazione di tecnologie e attrezzature per l'atomizzazione delle polveri con elettrodi rotanti al plasma contribuiranno a migliorare la resa della polvere fine e l'efficienza produttiva, migliorando quindi la qualità della polvere PREP.
Oltre a migliorare la tecnica di preparazione, le prestazioni della polvere metallica sono molto influenzate dalla sua purezza. Per usi particolari come quello aerospaziale, i consumatori hanno standard abbastanza precisi per la purezza della polvere metallica. Il contenuto di ossigeno della polvere di lega di titanio è dal {{0}}, dal 007% al 0,013%; il contenuto di ossigeno della polvere di lega ad alta temperatura deve essere regolato tra lo 0,006% e lo 0,018%; e il contenuto di ossigeno della polvere di acciaio inossidabile è compreso tra 0,010% e 0,025%. Questi rigorosi criteri di purezza garantiscono indicazioni importanti quali resistenza meccanica degli articoli stampati in 3D, resistenza alla corrosione e prestazioni alle alte temperature.
La stampa 3D aerospaziale dipende molto anche dalla distribuzione granulometrica della polvere metallica. varie tecniche di stampa 3D e metodi di modellatura richiedono criteri di distribuzione delle dimensioni delle particelle di polvere diversi. Per la stampa 3D in metallo, la gamma di dimensioni delle particelle di polvere più spesso utilizzata oggigiorno è 15-150 μm. A causa del loro punto ben focalizzato e della semplice fusione della polvere fine, le stampanti che funzionano con laser come fonti di energia sono adatte per impiegare polveri che vanno da 15 a 53 μ m; Le stampanti che utilizzano fasci di elettroni come fonti di energia hanno punti luminosi focalizzati un po' più grossolani, quindi sono più adatte per fondere polveri grossolane e per utilizzare polveri che vanno da 53 a 105 μm. la polvere con una dimensione delle particelle di 105–150 μ m può essere utilizzata per stampanti con alimentazione coassiale della polvere.
Un altro determinante cruciale della fluidità della polvere metallica è la sua sfericità. In generale, la scorrevolezza delle particelle di polvere è tanto migliore quanto maggiore è la loro sfericità. Per garantire una distribuzione e un'alimentazione della polvere impeccabili durante la stampa, la stampa 3D della polvere metallica necessita di una sfericità superiore al 98%. Le principali tecniche di preparazione per polveri metalliche stampate in 3D di alta qualità sono le tecniche di aerosolizzazione e elettrodi rotanti; pertanto, la forma della polvere prodotta da questi due processi è essenzialmente sferica, soddisfacendo gli elevati criteri della stampa 3D.
Oltre a far progredire la tecnologia di stampa 3D degli aerei, la ricerca e lo sviluppo di nuove polveri metalliche supportano l’innovazione e lo sviluppo della tecnologia della metallurgia delle polveri. Utilizzando tecniche che includono la pressatura e la sinterizzazione delle polveri metalliche, la metallurgia delle polveri è un sofisticato metodo di lavorazione dei materiali che produce diverse parti. La metallurgia delle polveri aerospaziale è ampiamente applicata per produrre costruzioni leggere e componenti dalla forma complessa. La tecnologia della metallurgia delle polveri è stata ulteriormente sviluppata e perfezionata con l'avvento della tecnologia di stampa 3D, generando quindi una tecnologia di produzione composita di "stampa 3D+metallurgia delle polveri".
Una nuova tecnica che combina la stampa 3D e le tecnologie della metallurgia delle polveri è la stampa per estrusione di polveri (PEP). Dapprima mescolando costantemente polveri di metallo/ceramica con leganti organici per produrre pellet, questa tecnica poi li modella utilizzando una stampante 3D, elimina i leganti dai pezzi grezzi prodotti e infine li densifica attraverso la sinterizzazione per produrre beni con prestazioni costanti ed eccezionali. Oltre alla preparazione senza stampi, la tecnologia PEP aumenta la capacità di lavorazione di componenti ad alta difficoltà e altamente complessi, offrendo così una soluzione di produzione più efficace e flessibile per il settore aerospaziale.
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