Compositi a matrice metallica nella stampa 3D: metallo liquido con fibra di carbonio

Tra i punti di forza unici della produzione additiva (AM) c’è la capacità di lavorare il metallo più facilmente di quanto si possa ottenere con la produzione sottrattiva, il che ha l’ulteriore vantaggio di produrre parti con geometrie uniche. Oltre ad aprire la lavorazione di materiali difficili da lavorare, come i metalli refrattari, AM consente di lavorare con i compositi a matrice metallica (MMC). Uno studio pubblicato sul Chinese Journal of Mechanical Engineering documenta l’approccio di un gruppo di ricerca alla stampa 3D MMC al fine di combinare le diverse proprietà dei metalli e delle fibre di rinforzo.

I ricercatori, che provengono dal Centro di ricerca ingegneristica Shaanxi per la tecnologia di produzione rapida, hanno combinato il piombo-stagno con la fibra di carbonio per esplorare le possibilità di sfruttare le proprietà di schermatura contro le radiazioni del piombo da un lato e la forza della fibra di carbonio dall’altro. Allo stesso tempo, lo studio ha cercato di mostrare la capacità di stampare in 3D con piombo, precedentemente difficile da raggiungere a causa della bagnabilità del piombo (incapacità di aderire a superfici solide quando in forma liquida).

Per raggiungere questo obiettivo, il team di ricerca ha fatto affidamento su piombo-stagno liquido che ha una migliore bagnabilità. Tramite un processo soprannominato la stampa di trazione in fibra (FTP), il carbonio galvanizzato con nichel e rame viene immesso in un estrusore dove viene saturato con piombo di stagno fuso e stampato utilizzando un processo di estrusione di materiale simile a quelli visti nelle stampanti 3D composite esistenti di Markforged , Anisoprint e Desktop Metal .

I ricercatori sono stati in grado di formulare una serie di osservazioni sulla tecnologia. Ad esempio, i ricercatori non sono stati in grado di calcolare teoricamente come ottenere l’uniformità morfologica a causa della tensione superficiale del metallo liquido. Tuttavia, il team è stato in grado di determinare una relazione pratica tra la velocità di stampa e l’uniformità della deposizione. Sebbene la fibra di carbonio con una galvanica maggiore non presentasse difetti osservabili, mostrava anche una minore bagnabilità tra il metallo liquido e la fibra e gli strati erano più spessi.

Lo studio ha dimostrato che, combinando il metallo liquido con la fibra di carbonio, non solo è possibile modellare il metallo liquido nelle forme desiderate, ma anche migliorare le proprietà meccaniche delle leghe a basso punto di fusione, come il piombo-stagno. La resistenza alla trazione del materiale piombo-stagno è stata aumentata da soli 33,3 MPa a 235,2 MPa, quando si utilizza la fibra di carbonio con uno strato di galvanica di 3 μm. Il volume della fibra veniva aumentato quando veniva aumentato anche lo strato di galvanica.

La possibilità di stampare in piombo 3D potrebbe comportare parti uniche che richiedono schermature da radiazioni, come i veicoli spaziali. Il team ritiene che il processo FTP potrebbe essere esteso ad altri MMC, come fibra di carbonio-alluminio e fibra di carbonio-magnesio.

A causa del fatto che sono quasi sempre più costosi del materiale tradizionale che intendono sostituire, gli MMC sono in genere riservati per applicazioni di fascia alta, come utensili da taglio ad alte prestazioni (carburo di tungsteno), auto sportive (fibra di carbonio e carburo di silicio, alluminio con carburo di boro), elettronica (rame-argento e diamante, alluminio-grafite) e aerospaziale (fibre di carburo di silicio e titanio). Allo stesso modo, a causa di problemi di scala, AM è spesso riservato per applicazioni di fascia alta e di breve durata. A sua volta, potremmo aspettarci che queste due aree si sovrappongano molto man mano che la capacità di stampare MMC avanza.

Finora, sono state condotte ricerche sulla stampa di MMC in diverse istituzioni, tra cui la California State University, dove un team sta stampando in 3D titanio con ceramica; Università AGH, dove si stanno combinando Inconel 625 e carburo di tungsteno ; e la Deakin University, dove si mescolano nitruro di boro e titanio .

Anche se naturalmente ci vuole tempo perché questo tipo di ricerca vada oltre le mura del laboratorio, non ci sono dubbi sul fatto che le entità commerciali esistenti stiano probabilmente lavorando su una tecnologia simile, specialmente se quelle aziende stanno già trattando sia materiali compositi in fibra che metalli, come è il caso con Desktop Metal e Markforged.

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