i La ricerca a Trento 5 progetti di ricerca 10 progetti industriali - Cinzia Menapace

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1 I processi speciali della Metallurgia delle Polveri - Hot Isostatic Pressing - Sinteroforgiatura - Estrusione di polveri - Laminazione di polveri - Formatura senza pressione (tape casting, slip casting) - Metal Injection Moulding - Induction sintering i La ricerca a Trento - Spark Plasma Sintering 5 progetti di ricerca 10 progetti industriali - Selective laser sintering - Selective laser melting - Cinzia Menapace - Electron beam sintering - Gloria Ischia, Lorena Maines, Mirco D Incau - Electron beam melting - Luca Facchini, Ivan Lonardelli, Palloma Muterlle, Ketner Demetrio, Enzo Castellan -Nerio Vicente -K4Sint, spin-off dell Università di Trento - laureandi

2 Tape casting

3 Metal Injection La sequenza Moulding -MIM produttiva Feedstock Green state Brown state Diversi tipi di leganti Iniezione in stampi per termoplastici solvente catalitico termico

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5 Oggetti MIM 1

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7 Electron beam sintering/melting g Tecnica di prototipazione rapida evoluta in tecnica di fabbricazione rapida Forme 3D complesse Produzione direttamente da modello 3D Applicazione in campo ortopedico: forme uniche scarse limitazioni geometriche possibilità di funzionalizzare la superficie (osteointegrazione)

8 Il processo

9 Ti6Al4V La costruzione del pezzo influenza le proprietà Direzione di stratificazione: parallela all asse longitudinale; perpendicolare all asse longitudinale. E [GPa] σy [MPa] UTS [MPa] elongati on [%] eb3 116±2 860±15 920±15 10,3±2, 8 eb2 115±2 920±10 990±10 11,7±1,, 0 bar 1 104±2 790±20 870±10 18,1±0, 8 t d d

10 La microstruttura del materiale è diversa dai riferimenti normativi Tecnologia convenzionale OK! Ricristallizzazione dinamica Electron beam NO! Siccome: - composizione OK - proprietà OK la microstruttura può essere accettata Elevata velocità di solidifcazione

11 Co25Cr5Mo L ottimizzzazione i i della microstruttura tt As built Fragilissimo! Eccessiva precipitazione di carburi

12 effetto dell HIP As-built material Hipped material ISO Elastic modulus [GPa] 165±6 190±7 - Yield strength [MPa] 719±17 545±5 > 450 UTS [MPa] 796±12 812±17 > 665 Elongation [%] 1,0±0,2 7,0±1,1 > 8 Ancora poco duttile!

13 Studio del trattamento termico

14 Trattamento termico di solubilizzazione a 1200 C Solubilized i material ISO Elastic modulus [GPa] 206±1 - Yield strength [MPa] 579±6 > 450 Molto duttile e UTS [MPa] 1073±25 > 665 resistente it t Elongation [%] 27,3±1,6 > 8

15 Spark Plasma Sintering DC Current Low voltage High current Uniaxial al pressure Very fast heating Discharge between particles Magnetic field Oxide and contaminants breakdown Mass transport Localized heating Localized plastic flow DR.SINTER model SPS1050 by Sumitomo Coal & Mining Ltd, at the University of Trento (Italy)

16 Leghe leggere e MMC E (GPa) HV10 σ y (MPa) UTS (MPa) A% Ti6Al4V reference Ti6Al4V + 5% SiC d 50 =9 μm T SPS = 1100 C Ti6Al4V + 5% SiC d 50 =13 μm T SPS = 1100 C

17 Leghe leggere e MMC E (GPa) HV10 σ y (MPa) UTS (MPa) A% Ti6Al4V reference Ti6Al4V + 3.3% TiB 2 d 50 =3 μm T SPS = 1300 C Ti6Al4V + 3.3% TiB 2 d 50 =12 μm T SPS = 1300 C

18 Functionally Graded Materials ceramica Transizione graduale fra le proprietà del metallo e quelle del ceramico per ridurre gli stress termomeccanici metallo

19 Possibilità di sinterizzare i in presenza di un gradiente di temperatura, t per adeguare la temperatura al materiale nei singoli strati Graded Die Shifted Cylindrical Die Monitoring thermocouples Radiation thermometer SPS thermocouple

20 Temperatura locale T rad. thermometer T centre T top T bottom T side T top -T bottom T centre -T side T rad. thermometer T centre T top T bottom T side T top -T bottom T centre -T side

21 Temperatura locale T rad. T centr T top T bottom T side T top- thermometer e T bottom T centre -T side T rad. thermometer T centre T top T botto m T side T top -T bottom T centre -T side Gradiente massimo = 25 C/mm

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23 Materiali nanostrutturati

24 Macinazione per produrre le polveri nanostrutturate Powder Mean particle size Average crystalline Microhardness [μm] domain size [nm] [HV 0.05 ] FeMo ± 20 FeMo 20h ± 27 FeMo+SiO 2 20h ± 20 FeMo+TiO 2 20h ± 10 Determinazione della stabilità della nanostruttura 900 Microh hardness [HV V0.05] FeMo FeMo + 1.5% SiO 2 FeMo + 1.5% TiO Annealing Temperature

25 Sinterizzazione per consolidare la polvere nanostrutturata senza perdere la nanostruttura Sintering condition Density [g/cc] Microhardness [HV 0.05 ] Grain size (nm) 900 C MPa (99.53%) 407± C MPa (99.82%) 342± C MPa (99.95%) 323± C MPa (100%) 320± ottima duttilità Stress [MPa] C - 15' 900 C - 05' Strain [%]

26 Ottima duttilità: distribuzione bimodale della dimensione dei grani Nano grains Micrometric grain