Il potere della fabbricazione ibrida dei metalli: Sfruttare la stampa 3D e i metodi tradizionali

La produzione ibrida di metallo integra processi additivi e sottrattivi per ottimizzare la progettazione e la produzione di parti in metallo. Questo articolo illustra come la combinazione di stampa 3D, lavorazione, formatura e altro ancora consenta di realizzare progetti innovativi in settori industriali che cercano componenti metallici complessi e personalizzati con proprietà migliorate.

Produzione ibrida di metalli: Combinazione di tecniche tradizionali e tecniche

Un nuovo approccio alla produzione

La produzione ibrida convenzionale di metallo si sta trasformando grazie alla possibilità che i metalli Stampa 3D e la produzione additiva possiedono, in quanto consentono di sviluppare nuove forme non utilizzate nella produzione. Ma queste nuove tecniche sono anche limitate nelle dimensioni e nella complessità della costruzione, nella risoluzione possibile e nelle caratteristiche del materiale.

Mescolare il meglio dei due mondi

L'approccio proposto consiste nell'utilizzare la produzione additiva in sinergia con le tecniche convenzionali di lavorazione dei metalli. Le strutture interne complesse possono essere Parti stampate in 3D all'interno di volumi di costruzione più grandi. Le superfici esterne complesse possono essere lavorate con alta precisione. Si possono unire leghe diverse con proprietà ottimizzate.

Questo approccio ibrido apre nuove funzionalità e migliora le prestazioni dei pezzi. Le fasi di assemblaggio complesse possono essere ridotte o eliminate grazie alla progettazione integrale. I componenti più leggeri e resistenti risparmiano sui costi dei materiali e migliorano la sostenibilità.

Il futuro della produzione ibrida di metalli risiede nel mescolare efficacemente queste tecniche in base ai requisiti specifici del pezzo. Sia i ricercatori che le industrie stanno esplorando attivamente nuovi flussi di lavoro ibridi per portare la produzione di metallo al livello successivo.

Contesto e definizioni

Questo documento definisce la fabbricazione additiva (AM), altrimenti nota come stampa 3D, come tecnologie che prevedono la creazione di parti tridimensionali attraverso processi che accumulano strati di materiale. Nel caso dell'AM del metallo, ciò significa fondere il materiale con un laser ad alta potenza o un fascio di elettroni, mentre si uniscono le polveri metalliche in un processo strato per strato. Le pratiche convenzionali di lavorazione del metallo includono le operazioni meccaniche come il taglio, la piegatura e la perforazione. I processi di fabbricazione come la fusione, la forgiatura, la piegatura, tra gli altri, caratterizzano la modellazione del metallo attraverso lo stampaggio o la pressione meccanica. Le tecniche di giunzione come la saldatura e la brasatura fondono insieme parti metalliche separate.

La produzione ibrida di metallo combina strategicamente questi metodi additivi e tradizionali. L'AM viene utilizzata per geometrie interne complesse o strutture reticolari leggere non realizzabili con altri metodi. La lavorazione tradizionale fornisce le superfici di alta precisione e le tolleranze strette richieste. Le leghe utilizzate nelle applicazioni automobilistiche, come l'alta forza e l'alta resistenza alla corrosione, possono essere combinate senza problemi. Questa integrazione di approcci sfrutta il meglio di ciascun metodo, superandone gli effetti e producendo così prodotti funzionali, performanti e convenienti, da utilizzare nei settori di aerospaziale, elettronica, medicoe altri settori.

Motivazione per la produzione ibrida

Ci sono diverse motivazioni chiave per l'adozione di tecniche di produzione ibrida di metalli:

• Permette di produrre pezzi e componenti con geometrie complesse, non possibili solo con i metodi tradizionali.
• Le caratteristiche interne possono essere ottimizzate per i requisiti di resistenza, leggerezza o funzionalità attraverso le tecniche additive.
• La precisione e le tolleranze più strette per le superfici esterne e le parti mobili richiedono capacità di lavorazione tradizionali.
• Si possono unire diversi materiali metallici ottimizzati per le varie applicazioni, come le leghe ad alta resistenza o la resistenza alla corrosione.
• In generale, consente di progettare e produrre strutture con una funzionalità migliorata a costi inferiori rispetto ai metodi tradizionali.
• Ambito della revisione

Questa rassegna fornirà una panoramica della ricerca e delle applicazioni attuali della produzione ibrida di metalli. Illustrerà alcune delle principali tecniche additive e tradizionali che vengono combinate in nuovi flussi di lavoro innovativi. Saranno analizzati anche alcuni esempi di combinazione di diverse metodologie per la produzione di parti metalliche complesse per settori come l'aerospaziale e la biomedicina. Saranno evidenziati anche i limiti di questa visione e alcuni dei problemi che si possono incontrare nel corso della sua attuazione.

Lo scopo di questa rassegna è quello di presentare non solo l'attuale stato dell'arte della produzione ibrida di metalli di prossima generazione, ma anche di discutere gli sviluppi futuri che potrebbero essere consentiti dai metodi ibridi che verranno discussi in questo articolo.

Classificazione della produzione ibrida

Esistono diverse classificazioni principali della produzione ibrida di metalli, basate sulle fasi integrate con le tecniche tradizionali:

• Gli ibridi di post-elaborazione utilizzano metodi sottrattivi come la lavorazione per migliorare la finitura superficiale dei pezzi realizzati in modo additivo.
• Gli ibridi di forma quasi netta mirano a ridurre i tempi di consegna dell'additivo, grazie alla modellazione tradizionale iniziale prima della stampa 3D dei dettagli più fini.
• Gli ibridi multimateriali uniscono diverse leghe fabbricate in AM con proprietà diverse.
• Gli ibridi tollerati sfruttano la precisione della fresatura o della tornitura per lavorare le preforme AM secondo i disegni tecnici.
• Gli ibridi topologici ottimizzano le strutture interne attraverso l'AM e la giunzione tradizionale di tale architettura.
• Tecnologie di produzione ibrida del metallo

Cronologia di sviluppo

Avendo le sue radici nel 1980, l'AM del metallo ha fatto molta strada. Le prime tecnologie coinvolgevano SLS e la stampa 3D di metalli con leganti polimerici interconnessi. La modernizzazione della fusione a letto di polvere e della deposizione a energia diretta è stata commercializzata negli anni 2000. Gli ultimi anni hanno reso possibile l'AM di leghe ad alte prestazioni, nonché di leghe multimateriali e di stampa 3D multi-materiale.

Classificazione dei processi AM

Esistono due sottogruppi generali di tecniche Metal AM: la fusione a letto di polvere e i processi di deposizione a energia diretta. Nei processi di fusione a letto di polvere, le polveri metalliche vengono unite tra loro applicando strati successivamente sottili di polveri metalliche attraverso mezzi di energia termica, come laser o fasci di elettroni. Nuovi strati di polvere vengono depositati e poi fusi insieme. La deposizione a energia diretta dirige l'energia termica focalizzata (laser o fascio di elettroni) per fondere i materiali (polvere o filo) mentre vengono depositati additivamente strato su strato.

Processi di fusione a letto di polvere

La fusione laser selettiva (SLM) e la fusione a fascio elettronico (EBM) sono i due approcci fondamentali del processo di fusione del letto di polvere. Nella SLM, un laser attraversa il letto di polvere per fondere una determinata particella con un'altra particella. Nell'EBM, le polveri metalliche sono ben fuse e fuse utilizzando un fascio di elettroni focalizzato. I componenti possono essere costruiti da livelli gerarchici variabili di dati di modelli 3D in modo laminare.

Processi di deposizione a energia diretta

I processi di deposizione a energia diretta (DED) comprendono la modellazione della rete ingegnerizzata con il laser (LENS) e la fabbricazione a fascio elettronico libero. A modellazione a deposizione fusa Una fonte di energia termica viene utilizzata per fondere i materiali (ad esempio, fili o polveri di metallo) mentre vengono depositati. Il processo consente di effettuare riparazioni o di produrre metalli ibridi, depositando i materiali su un pezzo esistente. I pezzi vengono costruiti direttamente, senza bisogno di strutture di supporto.

Produzione additiva ibrida con più fonti di energia termica

C'è stato un crescente interesse per gli approcci ibridi di AM che sfruttano più fonti di energia termica focalizzata, come laser e fasci di elettroni. Ciò consente di combinare i vantaggi delle diverse interazioni energia-materiale.

GMA-DED / PA-DED assistito dal laser

GMAW-DED o PAW-DED utilizza un arco di metallo a gas o Taglio al plasma torcia per depositare il materiale di saldatura. Un laser coassiale fornisce un riscaldamento localizzato aggiuntivo per aumentare la velocità di deposizione e il controllo. Questo migliora la deposizione di leghe reattive e consente la deposizione di materiali dissimili.

GTA-DED con assistenza laser

Il GTAW-DED utilizza una torcia di saldatura ad arco di tungsteno a gas per la deposizione del materiale. Un laser fornisce un riscaldamento supplementare al bagno di saldatura per migliorare il controllo della geometria. Questo facilita l'AM di leghe difficili da saldare con un'alta conduttività, come il rame.

Analisi e sfide

L'utilizzo di input energetici doppi crea una maggiore flessibilità di progettazione, ma introduce una complessità in termini di controllo e ottimizzazione del processo. Si devono considerare fattori come l'accoppiamento dell'energia, la sequenza e il posizionamento. Anche le sollecitazioni residue e le distorsioni dovute al riscaldamento multi-sorgente richiedono un'analisi. Ulteriori lavori mirano a caratterizzare completamente le prestazioni dei materiali di questi approcci avanzati di produzione ibrida dei metalli.

Produzione additiva ibrida con processi di rimozione del materiale

L'integrazione dell'asportazione di materiale con la produzione ibrida di metallo amplia lo spazio di progettazione e migliora la qualità dei pezzi. In genere viene effettuata dopo la deposizione, ma può essere incorporata anche a metà della costruzione.

Integrazione durante la sequenza di produzione

Un approccio comune prevede la lavorazione grezza di un substrato o di una piastra di base prima dell'AM. In questo modo si stabilisce la geometria iniziale del pezzo e le superfici di fissaggio per un fissaggio sicuro durante la successiva deposizione.

In alternativa, le "preforme" iniziali delle caratteristiche critiche possono essere costruite in modo additivo e poi ulteriormente modellate con strumenti sottrattivi. Ad esempio, gli intricati canali di raffreddamento possono essere sgrossati con la deposizione laser di metallo, prima di essere lavorati per ottenere le dimensioni finali.

Alcune tecnologie, come la produzione per deposizione di forma (SDM), utilizzano la fresatura tra gli strati di deposizione verticali. In questo modo si affinano le superfici ruvide inclinate e si preserva la precisione posizionale per la deposizione successiva.

Il lavoro mira anche a sviluppare capacità di lavorazione in-process. Una testa utensile retrattile potrebbe eliminare le strutture di supporto durante la costruzione o modificare la traiettoria di deposizione e la geometria in tempo reale.

Sfide e soluzioni

L'integrazione della rimozione del materiale rischia di danneggiare o degradare il materiale depositato. Tecnologia di taglio laser I lubrificanti e i refrigeranti devono essere selezionati con cura per non reagire o indebolire le leghe.

La robustezza del fissaggio è fondamentale per localizzare con precisione i pezzi per la post-lavorazione. Gli approcci in-process richiedono sistemi multi-testa strettamente coordinati. Le sollecitazioni residue dovute al riscaldamento-raffreddamento localizzato complicano ulteriormente la stabilità dei pezzi.

Per affrontare questo problema, molti processi di produzione ibrida dei metalli impiegano metodi di lavorazione senza contatto, come gli ultrasuoni o l'ablazione laser, per evitare le sollecitazioni meccaniche. Il monitoraggio del processo in tempo reale consente anche il controllo di feedback delle varie fasi di produzione.

Produzione additiva ibrida di metallo con processi di formatura

Processi di trattamento termico

I pezzi prodotti in modo additivo sono spesso sottoposti a trattamenti termici di solubilizzazione e ricottura per alleviare le tensioni interne e affinare le strutture dei grani. Alcune tecniche di fabbricazione ibrida dei metalli integrano trattamenti termici localizzati direttamente nel processo AM.

Ad esempio, la deposizione diretta di metallo assistita dal laser può solutizzare immediatamente il materiale nella regione del bagno di fusione, mentre si solidifica. Questo migliora i carichi di snervamento e risolve problemi come l'infragilimento.

HIP e lavorazione a freddo

La pressatura isostatica a caldo (HIP) densifica i materiali porosi come depositati a densità prossime a quelle teoriche, migliorando le proprietà. Alcuni approcci utilizzano la HIP a metà costruzione per densificare selettivamente aree come le regioni portanti, preservando le strutture reticolari.

La laminazione a freddo, la pallinatura e altri trattamenti superficiali sono anche incorporati per conferire i vantaggi dell'indurimento sul lavoro, senza introdurre distorsioni dovute alla lavorazione in massa.

Integrazione con i processi di formatura alla rinfusa

Forgiatura

La forgiatura a stampo aperto o chiuso viene utilizzata per consolidare e deformare le preforme formate in modo additivo in componenti di forma netta o quasi netta. I progetti iniziali di AM ottimizzano il posizionamento del materiale per una formatura efficace senza difetti.

Piegatura e rotazione

Le tecniche di laminazione delle lastre o di deposizione lineare consentono la formazione di pezzi cilindrici o conici per la produzione di metalli ibridi, attraverso successive operazioni di filatura o piegatura, come la formatura a flusso.

Integrazione con i processi di formatura delle lastre

Il materiale in fogli con eterogeneità progettate può essere lavorato in modo additivo e poi formato in forme 3D complesse con metodi di stampaggio o idroformatura convenzionali. La rigidità graduata ottenuta attraverso la modellazione additiva migliora la duttilità di formatura.

Integrazione con i processi di giunzione mediante formatura

L'AM basata sull'estrusione consente di unire e modellare in modo simile alla forgiatura i sottogruppi di produzione ibrida in metallo. I profili iniziali possono essere depositati in modo additivo, quindi uniti e consolidati in modo continuo utilizzando il calore e la compressione localizzati. In questo modo si producono complessi strutture metalliche integrate.

Conclusione

La produzione ibrida di metalli è un settore in rapida evoluzione che sfrutta i punti di forza delle tecniche additive e tradizionali di lavorazione dei metalli. Integrando strategicamente diversi processi in varie fasi della produzione dei componenti, i produttori possono creare parti metalliche geometricamente complesse con prestazioni ottimizzate. La libertà di progettazione personalizzata e le proprietà dei materiali ottenibili attraverso i flussi di lavoro ibridi continuano ad ampliare il potenziale applicativo dei prodotti metallici fabbricati.

Tuttavia, sono necessari ulteriori sviluppi per realizzare appieno le capacità di questo approccio. Ulteriori ricerche sulla sincronizzazione multi-testa, sulla metodologia di controllo del processo per gli input combinati e su soluzioni di fissaggio robuste possono aumentare la qualità dei pezzi e la ripetibilità della produzione. Potrebbero essere necessarie anche nuove formulazioni di leghe metalliche e procedure di trattamento termico per soddisfare la domanda di percorsi di lavorazione integrati. Gli standard devono continuare a essere sviluppati per qualificare i pezzi della produzione ibrida di metallo per le industrie critiche.

Domande frequenti

D: Quali sono alcuni flussi di lavoro comuni nella produzione ibrida?

R: Gli approcci comuni includono la produzione ibrida di metallo di anime e inserti complessi abbinata alla lavorazione tradizionale delle superfici esterne, la stratificazione additiva di leghe diverse unite dalla saldatura e l'integrazione della formatura, del trattamento termico o della giunzione con le preforme stampate in 3D.

D: Quali sono i vantaggi della produzione ibrida?

R: Permette di ottimizzare la progettazione dei pezzi per varie tecniche di fabbricazione ibrida dei metalli, migliorando le proprietà grazie all'integrazione multimateriale, riducendo le fasi di assemblaggio e ottenendo tolleranze più strette rispetto agli approcci esclusivamente additivi.

D: Quali sono le sfide della produzione ibrida?

R: L'integrazione di processi diversi rischia di provocare danni o degradazioni, le sollecitazioni residue dovute al riscaldamento/raffreddamento in più fasi sono complesse da gestire e i sistemi multitesta strettamente sincronizzati richiedono un perfezionamento del controllo di processo.

D: Quali settori stanno adottando le tecniche ibride?

R: I settori chiave includono l'aerospaziale, la sanità, l'automotive e l'energia, dove i requisiti di resistenza, complessità e personalizzazione spingono verso metodi innovativi di fabbricazione dei metalli.