Filamenti e polveri metalliche per la stampa 3D

I fattori principali che oggi determinano la stampa di una lega metallica sono due: la stampabilità e la domanda. Sebbene esista un'ampia varietà di processi di stampa 3D in metallo, quasi tutti si basano su polveri metalliche. Questi materiali assumono due forme nella stampa: polveri metalliche grezze per la stampa 3D oppure filamenti metallici per la stampa 3D con polveri con legante. Di conseguenza, i materiali metallici stampabili oggi sono in gran parte limitati dalla disponibilità della polvere e dalla possibilità di legare efficacemente la polvere. L'alluminio, ad esempio, è notoriamente difficile da stampare bene e di conseguenza è relativamente poco diffuso.

La stampa 3D in metallo è utile per le parti difficili da lavorare, sia per la complessità che per il materiale, perché soprattutto in volumi ridotti può essere più economica. I materiali più duri, come gli acciai inossidabili, gli acciai per utensili, il titanio e altri, sono più difficili da lavorare e richiedono utensili di qualità superiore, macchine migliori e maggiori costi generali. I costi aggiuntivi connessi alle lavorazioni di materiali metallici e la necessità di utensili più costosi per questo tipo di lavorazioni consentono di superare il "punto di inflessione" in cui la produzione additiva in volumi ridotti diventa più economica. D'altro canto, i materiali facili ed economici da lavorare (acciaio di basso grado, alluminio) non sono così richiesti perché è già facile produrli. Si tratta di un gruppo di materiali "comuni" per la stampa in metallo, tradizionalmente molto difficili da lavorare, resi semplici dalla produzione additiva anziché da quella sottrattiva.

Quali sono i metalli più comuni per la stampa 3D?

1. Acciai inossidabili (17-4 PH, 316L, 304)
2. Acciai per utensili (H13, A2, D2)
3. Leghe speciali (Inconel, cobalto-cromo e altre)
4. Titanio (Ti64)
5. Alluminio (4047, 6061, 7075)

Stampa 3D in acciaio

L'acciaio è il materiale più comune per la stampa 3D in metallo. La sua resistenza, la capacità di essere trasformato in polvere metallica per la stampa 3D, il costo relativamente basso e la post-lavorabilità lo rendono un materiale utilizzabile in molte applicazioni. È possibile stampare la maggior parte delle varietà di acciaio: i due più comuni sono gli acciai inossidabili e gli acciai per utensili. Non tutti gli acciai sono comunemente stampati - gli acciai legati, che sono i più comuni da fabbricare in modo convenzionale, sono raramente stampati. A causa dei costi di fabbricazione convenzionali più bassi e delle proprietà inferiori dei materiali, non sono un materiale altrettanto valido da stampare.

Acciai inossidabili

Gli acciai inossidabili sono acciai forti e rigidi che possiedono un'eccellente resistenza alla corrosione grazie al significativo contenuto di cromo (almeno il 12%, spesso fino al 18%). Sono disponibili in due diverse varietà: austenitica e martensitica.

Gli acciai inossidabili austenitici sono il tipo più comune di acciaio inossidabile. Sono resistenti alla corrosione e possono essere sia lavorati che saldati, anche se non possono essere trattati termicamente. Il 303 e il 304 sono i tipi più comuni di acciai inossidabili austenitici, mentre il 316L è una variante che massimizza la resistenza alla corrosione.

Gli acciai inossidabili martensitici sono molto più duri degli acciai austenitici, ma più fragili e meno resistenti alla corrosione. Come gruppo, non hanno la versatilità generale degli acciai austenitici, ma possono essere trattati termicamente e induriti per precipitazione. Sono i migliori quando si ha bisogno di un acciaio inossidabile duro e rigido. Il 17-4 PH è un tipo di acciaio inossidabile martensitico particolarmente utile, che può essere trattato termicamente per adattarsi a una varietà di proprietà dei materiali; è anche l'acciaio martensitico più comune, sebbene ne vengano stampati anche altri (come il 420).

Acciai per utensili

Gli acciai per utensili prendono il nome dalla loro applicazione centrale: utensili e attrezzi di tutte le tipologie. Contengono carburo, un composto estremamente duro fondamentale per la loro capacità di tagliare, levigare, punzonare, stampeggiare o dare forma. In generale, sono molto duri e resistenti all'abrasione e molti sono utilizzabili ad alte temperature. Gli acciai per utensili sono classificati secondo i sistemi di classificazione AISI-SAE , suddivisi in tipi per funzione. I tre tipi usati più comunemente nella stampa 3D in metallo sono acciai per utensili di serie A, serie D e serie H.

Gli acciai per utensili di serie A sono acciai per utensili lavorabili di uso generale, che bilanciano resistenza a usura e tenacità. Esistono otto varietà di acciai per utensili di serie A, la più comune delle quali è l'A2. Si tratta di un acciaio per utensili versatile, spesso usato per realizzare punzoni e matrici, utilizzabile in una vasta gamma di applicazioni.

Gli acciai per utensili di serie D sono ottimizzati per resistenza all'usura e durezza. Non sono particolarmente resistenti e vengono utilizzati solo per applicazioni a freddo. La varietà più comune di acciaio per utensili di serie D è la D2, un acciaio per utensili utilizzato per tutti i tipi di utensili da taglio, dalle lame agli utensili da taglio industriali e ai coltelli.

Gli acciai per utensili di serie H tagliano e modellano il materiale a temperature elevate (o cicliche). Non sono resistenti all'usura come gli acciai per utensili della serie A o D a basse temperature, ma mantengono bene la loro resistenza e rigidità in presenza di calore elevato. Sebbene esistano diversi tipi di acciaio per utensili di serie H, l'H13 è la varietà più comune stampata in 3D. Il suo mix di eccellente solidità, resistenza all'usura e resistenza termica lo rende un acciaio per utensili per uso generale ottimizzato per l'uso ad alte temperature (lavorazioni a caldo).

Stampa 3D in titanio

Sebbene il titanio non sia affatto un materiale comune da fabbricare in modo convenzionale, le sue proprietà uniche e l'elevato costo di base lo rendono un ottimo candidato per la stampa 3D. È forte, incredibilmente leggero, resistente al calore e alle sostanze chimiche e può essere biocompatibile. Sebbene esistano diversi tipi di titanio che possono essere stampati, uno è di gran lunga il più comune: il titanio 64 (Ti-6Al-4V).

Il Ti64 è il tipo di titanio più comune sia nella stampa 3D che nella fabbricazione tradizionale. Possiede un eccellente rapporto resistenza/peso e può essere trattato termicamente per migliorare ulteriormente la resistenza. Il materiale eccelle anche in ambienti avversi grazie alla sua resistenza alla corrosione e al calore. Di conseguenza, è molto utilizzato in campo aeronautico (missili, razzi, aerei), medico (impianti ortopedici) e in altri ambiti in cui il rapporto tra resistenza e peso è vantaggioso.

Stampa 3D in alluminio

L'alluminio è notoriamente difficile da stampare. Di conseguenza, è un materiale di stampa relativamente poco diffuso, nonostante sia molto comune nella fabbricazione convenzionale. Le varietà stampate sono generalmente alluminio da colata, non i più comuni tipi lavorabili come 6061 o 7075. Queste leghe di alluminio da colata contengono tutte un tenore significativo (fino al 12%) di silicio e sono più deboli e meno rigide del 6061. Non è chiaro quando l'alluminio diventerà più facilmente disponibile come materiale per la stampa 3D, ma fino ad allora materiali come l'acciaio e il titanio raggiungono un rapporto resistenza/peso simile quando vengono stampati con un materiale di riempimento a celle aperte.

Leghe speciali

Oltre ai metalli più comuni, le stampanti 3D possono fabbricare parti in leghe particolarmente adatte agli ambienti ostili. Queste "superleghe" - metalli che presentano elevata forza, resistenza al calore, buona stabilità superficiale e resistenza alla corrosione o all'ossidazione - possono essere utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni ad alte prestazioni. I sottogruppi più comuni sono due: Inconel e cromo-cobalto.

Inconel

L'Inconel è la lega di nichel proprietaria più comune e più conosciuta. È un materiale estremamente forte, solido e resistente alla corrosione utilizzato nelle turbine, nelle guarnizioni dei motori e nei razzi. Esistono due formulazioni principali stampate in 3D: l'Inconel 718 è più forte e più resistente, mentre l'Inconel 625 è più termoresistente. Entrambi i materiali sono incredibilmente costosi da lavorare in modo convenzionale, il che rende la stampa 3D un'alternativa economicamente vantaggiosa per fabbricare parti ad alta fedeltà.

Cromo-cobalto

Il cromo-cobalto è una superlega nota per la sua biocompatibilità, per l'elevato rapporto resistenza/peso e per la resistenza alla corrosione. È essenzialmente una versione del titanio più costosa, di grado superiore. Come l'Inconel, è utilizzata nelle turbine e in altri ambienti ostili. A differenza dell'Inconel, può essere utilizzati in applicazioni mediche come impianti ortopedici o dentali.

Guardando al futuro

Il successo a lungo termine delle stampanti in metallo dipende in larga misura dalla loro capacità di supportare in modo affidabile un'ampia varietà di materiali. L'elenco attuale è relativamente breve e si concentra sui materiali di qualità superiore che oggi sono economicamente più vantaggiosi da produrre. Tuttavia, con la maturazione del processo di stampa 3D in metallo, ci si aspetta di vedere filamenti e polveri per stampa 3D in metallo sempre più economici e disponibili su diverse piattaforme di stampa in metallo. Questi materiali apriranno a loro volta nuove applicazioni per la stampa in metallo, favorendone l'adozione da parte delle masse produttive.