Il ruolo dei materiali metallici nelle tecniche di Additive Manufacturing (AM)

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Benedetta Parente
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di prodotto, metallurgia di processo O.Tassa, M.

1 Il ruolo dei materiali metallici nelle tecniche di Additive Manufacturing (AM) Processi di fabbricazione polveri, caratterizzazione di prodotto, metallurgia di processo O.Tassa, M.Murri (Centro Sviluppo Materiali) Convegno Stampa 3D tra prototipo e prodotto Fiera Milano, 1 Ottobre

2 L approccio di sistema L evoluzione tecnologica dei sistemi di ALM (dalla prototipazione al manufacturing) consente un reale vantaggio competitivo se vengono governate: - l intera filiera tecnologica - dalle materie prime (polveri nel caso di metalli) alle lavorazioni e trattamenti finali; - le necessarie competenze di processo riassumibili in una «metallurgia di processo/prodotto delle tecnologie additive» Il ruolo strategico dei materiali 3

prime (polveri nel caso di metalli) alle lavorazioni e trattamenti finali; - le necessarie competenze di

3 Aree di intervento sui materiali Alloy design e fabbricazione polveri Metallurgia di processo Messa a punto di trattamenti post processo Caratterizzazione meccanica-microstrutturale 4

4 Alloy design (1/2) Obiettivo Supportare la progettazione di composizioni innovative per il processo ALM mediante un approccio modellistico che prevede l utilizzo di codici di calcolo termodinamico e cinetico. Nel caso di superleghe base Ni, l obiettivo è quello di definire composizioni processabili con tecnologia ALM tali da assicurare elevata resistenza al creep 5

5 Alloy design (2/2) Tecnologie basate su un fascio laser (Selective Laser Melting, SLM) o elettronico (Electron Beam Melting, EBM) modalità di solidificazione rapida della polveri metalliche. La solidificazione rapida formazione di strutture metastabili e molto segregate, che possono essere intrinsecamente fragili. Le velocità di solidificazione tipicamente raggiunte con questo tipo di processi sono simili a quelle ottenute nei processi di saldatura (~ K/s). Nelle superleghe base Ni problemi di criccabilità a caldo per: - fenomeni di micro-segregazione - formazione di ossidi (ridotto per SLM in atmosfera protetta). 6

Le velocità di solidificazione tipicamente raggiunte con questo tipo di processi sono simili a quelle ottenute nei processi di saldatura (~10 3-10 8 K/s).

6 Metallurgia di processo 1. Processi ALM caratterizzati da solidificazione rapida e associabili ai processi di saldatura, per es. saldatura laser, in termini di condizioni di solidificazione 2. Nei processi ALM la saldabilità può essere considerata come un indicazione della processabilità mediante ALM ed in particolare SLM Alta frazione : elevata suscettibilità alla formazione di cricche Bassa frazione : bassa suscettibilità alla formazione di cricche 7

saldatura laser, in termini di condizioni di solidificazione 2.

7 Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici Lega base Ni: la saldabilità dipende da 2 modalità di formazione di difetti 1. Formazione di difetti durante la solidificazione In presenza di stress termici, durante la deposizione laser, si possono formare cricche in corrispondenza di zone localizzate di fase liquida. 1. Solidificatin cracking (Hot tearing) Formazione di cricche dovute alla permanenza di liquido residuo fortemente segregato fino a basse temperature. 2. Liquation cracking Formazione di cricche dovuta a rifusione localizzata negli strati sottostanti (a bordo grano in corrispondenza di basso-fondenti). 2. Formazione di difetti durante il raffreddamento Difetti (cricche) generati da una diminuzione di duttilità del materiale in fase di raffreddamento. 3. Strain-age cracking (SAC) Formazione di fasi indurenti durante la permanenza dello strato solidificato in un certo intervallo di temperatura critico (in funzione della fase). 4. Ductility-dip cracking Formazione di difetti associato alla formazione di micro-vuoti al bordo grano. 8

Solidificatin cracking (Hot tearing) Formazione di cricche dovute alla permanenza di liquido residuo fortemente segregato fino a basse temperature. 2.

Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici La saldabilità di una lega base Ni dipende anche dalla morfologia di solidificazione che è, a sua volta, funzione delle modalità di raffreddamento.

8 Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici La saldabilità di una lega base Ni dipende anche dalla morfologia di solidificazione che è, a sua volta, funzione delle modalità di raffreddamento. I processi ALM sono caratterizzati: solidificazione rapida raffreddamento rapido Morfologia della microstruttura complessa da prevedere con modelli matematici dedicati. Modelli CSM di previsione della struttura di solidificazione 10

I processi ALM sono caratterizzati: solidificazione rapida raffreddamento rapido Morfologia della

9 Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici Tecnologie ALM e sviluppi metallurgici Velocità di raffreddamento controlla la precipitazione della fase Velocità di raffreddamento >100 C/s: non precipita Velocità di raffreddamento <100 C/s: frazione aumenta al diminuire della velocità di raffreddamento Frazione maggiori Aumento stress di deformazione Maggiore suscettibilità alla formazione di difetti in fase solida Modelli CSM di previsione della cinetica di formazione di fasi infragilenti 14

frazione aumenta al diminuire della velocità di raffreddamento Frazione maggiori Aumento stress di deformazione Maggiore

10 Leghe intermetalliche base Ti 15

11 Leghe intermetalliche base Ti 16

12 Leghe intermetalliche base Ti Conclusions Electron Beam Melting is a versatile technology for additive manufacturing of complex metal parts from metal powders. Gamma titanium aluminide, Ti-48Al-2Cr- 2Nb is the most recent material proven to work in the EBM process. A preliminary assessment of the mechanical properties shows very promising results: The desired fine grain duplex microstructure was obtained by a proper heat treatment Hot isostatic pressing efficiently eliminates residual porosity in the as-processed material The tensile properties are comparable to literature data on cast alloy over a large temperature range The specific creep properties are comparable to Ni-base superalloys. 17

A preliminary assessment of the mechanical properties shows very promising results: The desired fine grain duplex microstructure was obtained by a proper heat treatment Hot

13 18 Dotazioni di filiera e leghe trattate

14 Dotazioni Sistema Stereolitografico: 3D System Viper Si2 Volume di lavoro: 250x250x250 mm Layer Thickness: mm Materiale: Resina Epossidica Applicazioni: Testing di assemblaggio Prototipi funzionali Investment Casting Sistema di Sinterizzazione Diretta di polveri Metalliche (SLS): EOS Eosint-M 250 Volume di lavoro : 250x250x120 mm Layer Thickness: mm Materiale: Polveri metalliche Applicazioni tipiche: stampi per iniezione, Direct Part 19

Sistema di Sinterizzazione Diretta di polveri Metalliche (SLS): EOS Eosint-M 250 Volume di lavoro : 250x250x120 mm

15 Dotazioni di filiera VACUM INDUCTION MELTING (VIM) For ingots manufacturing and investment casting VACUUM INERT GAS ATOMISATION (VIGA) For powder manufacturing Components: INVESTMENT CASTING VIGA EBM SLS ADDITIVE LAYER MANUFACTURING VIM 20

GAS ATOMISATION (VIGA) For powder manufacturing Components:

16 SLM EBM EBM Materiali Leghe per applicazioni speciali Leghe leggere base Al per aerospazio Leghe intermetalliche base Ti Superleghe base nickel per Oil & Gas 21

17 Possibili aree di intervento Esperienza e dotazioni CSM sono a disposizione per: Individuazione di soluzioni in funzione delle specifiche esigenze di manufacturing Supporto alla progettazione dei manufatti in funzione della geometria del pezzo, tolleranze di forma e dimensioni, numerosità, materiale, ecc... 22

manufacturing Supporto alla progettazione dei manufatti in funzione della

18 Grazie per l attenzione! Dr.ssa Oriana Tassa Dr.ssa Maria Murri o.tassa@c-s-m.it m.murri@c-s-m.it 23 N 23

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