Metalli per la stampa 3D: guida alla scelta del materiale giusto

Metalli per la stampa 3D

La stampa 3D in metallo ha superato i confini del laboratorio di prototipazione. Viene utilizzata da settori che spaziano dall'aerospaziale alla produzione di dispositivi medici per creare componenti ad alte prestazioni con geometrie impossibili da realizzare con le lavorazioni meccaniche tradizionali. La gamma di metalli stampabili è cresciuta significativamente con la maturazione della tecnologia. Scegliere il materiale giusto è importante quanto scegliere la macchina più adatta.

Gli ingegneri e i team addetti agli acquisti sono più preparati a prendere decisioni quando conoscono le proprietà meccaniche di ciascun materiale, il suo profilo di costo e le sue applicazioni ideali. Una scelta errata può portare a prestazioni scadenti dei componenti, costi maggiori o costosi processi di post-produzione, annullando i vantaggi della produzione additiva. La scelta del materiale può influenzare ogni aspetto, che si tratti di componenti strutturali, impianti biomedici o attrezzature.

Boda Tech collabora con produttori di vari settori per trovare il miglior processo di stampa 3D in metallo per l'applicazione. stampa 3D personalizzata risorse e ragionevole costi della stampa 3D in metallo sono un buon punto di partenza per valutare le diverse opzioni.

Cos'è la stampa 3D in metallo?

La produzione additiva di metalli è anche nota come stampa 3D in metalloQuesto processo realizza componenti a partire da file digitali utilizzando polveri metalliche, fili o stampi. A differenza della produzione sottrattiva, che rimuove materiale da un blocco, i processi additivi depositano materiale solo nelle aree necessarie. Ciò riduce gli sprechi e consente di realizzare geometrie interne complesse, altrimenti impossibili da ottenere con le macchine utensili.

La fusione a letto di polvere, l'estrusione di polveri legate e la deposizione di energia diretta sono le famiglie di processi più comunemente utilizzate. Ogni processo presenta caratteristiche diverse in termini di compatibilità dei materiali e risoluzione. Sarà possibile scegliere i metalli desiderati in base al processo selezionato.

Stampa 3D in metallo: come funziona

Struttura cubica reticolare in metallo stampata in 3D

La fusione a letto di polvere (Powder Bed Fusion) è un metodo di fusione di polveri metalliche che prevede la fusione selettiva di ogni strato mediante un raggio laser o un fascio di elettroni. Il raggio fonde la sezione trasversale successiva prima che ogni nuovo strato di polvere metallica venga applicato alla piattaforma di costruzione. L'estrusione di polveri legate (Bound Powder Extrusion) prevede la miscelazione di polveri metalliche con un polimero legante, l'estrusione del materiale in una forma simile a una pasta densa e la successiva sinterizzazione in forno per bruciare il legante. Entrambi i metodi producono componenti densi e funzionali, ma ciascuno presenta compromessi significativi in ​​termini di finitura superficiale, tempi di costruzione, precisione dimensionale e opzioni di materiale.

Vantaggi della produzione convenzionale

La stampa 3D di metalli eccelle nella realizzazione di componenti che richiedono strutture reticolari o geometrie organiche, impossibili da produrre con la lavorazione meccanica tradizionale. Questa tecnologia consente inoltre tempi di consegna più brevi per componenti a basso volume o articoli unici, e permette la produzione economicamente vantaggiosa di leghe costose come Inconel e titanio, la cui lavorazione meccanica risulterebbe proibitiva. La produzione additiva non è solo un'alternativa alla lavorazione meccanica per molte applicazioni di alto valore, ma è l'unico metodo di produzione utilizzabile.

Materiali metallici per la stampa 3D: i 05 metalli più comuni

Acciaio, superleghe e titanio sono tra i materiali più utilizzati 3D materiali di stampa per la produzione additiva di metalli. Ogni gruppo di materiali offre un diverso equilibrio tra proprietà meccaniche, costi e idoneità all'applicazione, mentre i singoli gradi vengono selezionati in base a specifici requisiti prestazionali.

Acciaio

L'acciaio è uno dei metalli più comunemente utilizzati nelle stampanti 3D. È il metallo più popolare per la stampa 3D grazie alla sua eccellente resistenza e rigidità. La stampa 3D dell'acciaio è ampiamente utilizzata anche nell'industria, vanta una vasta gamma di competenze industriali e ha costi relativamente bassi. La maggior parte dei tipi di acciaio è stampabile, ma gli acciai inossidabili e gli acciai per utensili sono i più diffusi. Questi tipi di acciaio sono costosi da lavorare e difficili da produrre. La produzione additiva rappresenta quindi un'opzione economicamente vantaggiosa per questi materiali.

Acciai Inossidabili

Diverse parti metalliche stampate in 3D

La resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili è dovuta alla presenza di almeno il 12% di cromo. Due tipologie sono predominanti nella stampa 3D di acciaio inossidabile:

• Austenitico (316L): L'acciaio inossidabile è il materiale più comunemente utilizzato per la stampa 3D, grazie alla sua eccellente resistenza alla corrosione. Può essere saldato e lavorato meccanicamente, ma non sottoposto a trattamenti termici. È adatto per l'impiego in processi chimici, strumenti medicali e componentistica navale.
• 17-4 PH (martensitico): Si tratta di un acciaio inossidabile a indurimento per precipitazione, che può essere sottoposto a trattamento termico per ottenere un'ampia gamma di proprietà meccaniche a diversi livelli di durezza. È più duro e resistente del 316L, ma meno resistente alla corrosione. Ampiamente utilizzato nella produzione industriale e nei componenti aerospaziali.

Acciai per utensili

Gli acciai per utensili sono progettati per operazioni specifiche come taglio, rettifica e stampaggio. Questi acciai contengono composti di carburo, che conferiscono estrema durezza e resistenza all'usura a temperatura ambiente e ad alte temperature. I tre gradi più comuni indicati sono:

• A2: Un acciaio per utensili versatile, adatto alla lavorazione a freddo, utilizzato in punzoni, matrici e utensili generici. Offre un buon equilibrio tra tenacità e resistenza all'usura.
• D2 è ottimizzato per fornire la massima resistenza all'usura per applicazioni di lavorazione a freddo, tra cui lame e taglierine industriali.
• H13 Un acciaio per utensili ad alta temperatura che combina resistenza al calore, tenacità e resistenza all'usura. È ideale per inserti per pressofusione e stampi per forgiatura.

Superleghe – Inconel e cromo cobalto

Parti metalliche stampate in 3D

Le superleghe possono funzionare in ambienti ostili, dove calore, pressione e agenti chimici corrosivi distruggerebbero le leghe tradizionali. La stampa 3D di metalli è un metodo economicamente vantaggioso per produrre superleghe che risulterebbero difficili e costose da realizzare con i metodi tradizionali.

Inconel

L'Inconel, una famiglia di superleghe a base di nichel, è noto per la sua estrema resistenza, tenacità e resistenza alla corrosione, anche a temperature in cui l'acciaio perderebbe la sua integrità strutturale. L'Inconel 625 è più resistente alla fatica termica e all'ossidazione, mentre l'Inconel 718 offre resistenza e tenacità superiori. Entrambe le leghe vengono utilizzate in turbine a gas, guarnizioni per motori a reazione, componenti di scarico e parti di razzi.

Cromo Cobalto

La lega di cobalto-cromo combina un elevato rapporto resistenza-peso, biocompatibilità e resistenza alla corrosione. Rappresenta un'alternativa al titanio più densa e performante, ideale per applicazioni che richiedono affidabilità strutturale e biocompatibilità. La lega di cobalto-cromo può essere utilizzata in diverse applicazioni, tra cui turbine, ambienti industriali e strumenti medicali.

Titanio

Il titanio è un materiale che offre un eccezionale rapporto resistenza-peso, ma presenta anche costi elevati per le materie prime e la lavorazione nella produzione convenzionale. Questo lo rende un materiale ideale per la produzione additiva. La stampa 3D del titanio offre un risparmio di materiale e la libertà geometrica che garantisce spesso giustifica il costo unitario più elevato per i componenti in titanio. Può essere stampato in due forme principali:

• Ti-6Al-4V: La lega di titanio più comune utilizzata nella produzione additiva. È circa il 40% più leggera della lega 17-4 PH, ma possiede una resistenza comparabile o superiore. È resistente agli ambienti corrosivi e alle alte temperature. Trova impiego nelle strutture aerospaziali, nei componenti automobilistici e nella ferramenta industriale, dove la riduzione di massa riveste un ruolo fondamentale.
• Titanio commercialmente puro: Meno resistente del Ti64, ma più biocompatibile indipendentemente dalle condizioni di lavorazione. Utilizzato per dispositivi medici come impianti ortopedici, viti ossee e altri prodotti medicali in cui la biointegrazione è importante.

Il titanio è un materiale fondamentale per qualsiasi team di ingegneri che produce componenti metallici stampati in 3D, dove il rapporto peso-prestazioni è il fattore determinante nella progettazione.

Rame

Il rame è un metallo che occupa un posto speciale nella produzione additiva. Viene scelto quasi esclusivamente per la sua conduttività termica ed elettrica, piuttosto che per le sue proprietà meccaniche. La stampa 3D in metallo consente agli ingegneri di creare componenti in rame geometricamente ottimizzati che altrimenti sarebbero molto difficili da realizzare tramite lavorazione meccanica o fusione. Dissipatori di calore, barre collettrici, bobine di induzione ed elettrodi per saldatura sono solo alcune delle applicazioni.

• Rame puro: Presenta la più alta conduttività termica ed elettrica tra tutte le varianti di rame. La sua elevata riflettività laser, tuttavia, lo rende incompatibile con i sistemi laser PBF standard. Stampabile solo su macchine a estrusione di polveri legate (Bound Powder Estrusion, PBF).
• Rame legato (ad esempio, C18150): Contiene l'1-2% di componenti di lega come cromo o zinco, che riducono la riflettanza del laser al punto da rendere possibile la stampa su determinate piattaforme PBF. La conduttività del rame legato è inferiore a quella del rame puro, ma è comunque superiore a quella degli altri gruppi di metalli.

Alluminio

La stampa 3D dell'alluminio è molto meno diffusa rispetto alla produzione convenzionale. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le leghe di alluminio più comunemente utilizzate, la 6061 e la 7075, non sono stampabili con i sistemi PBF standard. Le leghe per fusione con un contenuto di silicio fino al 12% sono stampabili, ma presentano proprietà meccaniche inferiori rispetto alle leghe per lavorazione. Il ritorno sull'investimento (ROI) per la stampa dell'alluminio è inferiore rispetto a quello della maggior parte degli altri metalli, a causa del costo relativamente basso della lavorazione dell'alluminio standard.

La stampa 3D a fibre continue in composito è un'ottima opzione per i team di ingegneri che necessitano di componenti con una resistenza equivalente a quella dell'alluminio. Può inoltre migliorare la rigidità, la resistenza alla fatica e la resistenza agli urti. Valutate questa alternativa prima di optare per la produzione additiva di alluminio.

Tabella comparativa dei materiali per la stampa 3D in metallo

Quali sono i migliori materiali per la stampa 3D in metallo?

 Girante in metallo appena stampata 

Comprendere i requisiti del progetto in quattro dimensioni – prestazioni meccaniche, requisiti di esposizione ambientale, requisiti di biocompatibilità e budget totale – vi aiuterà a scegliere il materiale migliore. Questo è un errore costoso che i team commettono spesso quando passano dal prototipo alla produzione.

Abbinamento dei materiali all'ambiente di applicazione

Le superleghe dovrebbero essere prese in considerazione se il componente è esposto ad alte temperature o ad ambienti chimicamente aggressivi. Il titanio è il materiale più resistente per i componenti strutturali, dove il peso è un fattore critico. L'acciaio per utensili o l'acciaio inossidabile sono i materiali più convenienti per la ferramenta e gli utensili industriali in generale. Il rame è l'unico metallo in grado di fornire i componenti per la gestione termica richiesti dai moderni sistemi elettronici e di alimentazione.

Considerare i requisiti di post-elaborazione

Diversi materiali necessitano di ulteriori lavorazioni per raggiungere le loro caratteristiche meccaniche finali. Altri materiali, come H13 e 17-4 PH, richiedono un trattamento termico. Per chiudere la porosità interna, i componenti in superleghe o titanio vengono spesso sigillati mediante pressatura isostatica a caldo. La finitura superficiale è spesso necessaria per le superfici di tenuta e le interfacce di appoggio. Queste fasi possono aumentare i tempi e i costi di un progetto. Nella scelta dei materiali, non dovrebbero essere considerate in un secondo momento. 

Per materiali come Inconel o titanio, il trattamento termico o la pressatura isostatica a caldo possono essere necessari per chiudere la porosità interna e raggiungere la resistenza meccanica richiesta, il che comporta un aumento dei tempi e dei costi del progetto. I componenti in acciaio inossidabile, d'altro canto, in genere necessitano solo di una finitura superficiale come la lucidatura o la sabbiatura per soddisfare i requisiti di tenuta e di interfaccia dei cuscinetti. Comprendere queste esigenze di post-elaborazione per ciascun materiale prima della finalizzazione del progetto aiuta a evitare sforamenti di budget e ritardi causati da fasi aggiuntive impreviste nelle fasi finali del processo produttivo.

Bilanciare costi e prestazioni

L'acciaio è meno costoso delle superleghe. Tuttavia, il titanio e le superleghe hanno costi di produzione e lavorazione più elevati. Per i progetti con budget limitati, è opportuno effettuare un'analisi dei costi della stampa 3D in metallo contestualmente alla scelta del materiale. Il miglior rapporto qualità-prezzo si riscontra nell'acciaio inossidabile 316L, utilizzabile per diverse applicazioni. Questo materiale dovrebbe essere la scelta predefinita, a meno che requisiti specifici non richiedano un materiale con prestazioni superiori.

Metallo per Stampa 3D per componenti automobilistici

L'industria automobilistica ha adottato la produzione additiva di metalli su una scala molto più ampia rispetto ad altri settori. Ciò è dovuto alla domanda di componenti strutturali leggeri e canali di raffreddamento con topologie complesse. Anche le staffe con topologie ottimizzate sono molto richieste. I materiali adatti per componenti strutturali in cui il peso è un fattore critico includono le leghe di alluminio e titanio. L'acciaio per utensili viene utilizzato per stampi e attrezzature. 

La produzione di collettori di aspirazione e di scarico può essere realizzata tramite stampa 3D. È inoltre possibile produrre staffe personalizzate, utensili di produzione e componenti per le sospensioni. Il risultato è una riduzione del numero di componenti, sequenze di assemblaggio più brevi e miglioramenti misurabili nel rapporto prestazioni/peso in tutti i programmi di sviluppo dei veicoli.

Errori comuni nella scelta dei materiali per la stampa 3D in metallo

Evitando i comuni errori di selezione, è possibile prevenire ritardi nella produzione e risparmiare denaro.

• Se tutte le leghe vengono stampate in modo uguale, Non tutti i livelli di una famiglia di materiali possono essere stampati. Le leghe di alluminio forgiato più comunemente utilizzate, 6061 e 7705, non sono disponibili come sistemi PBF standard.
• I costi di post-elaborazione non sono inclusi nelle stime dei costi. Molti materiali, come l'Inconel o il titanio, richiedono trattamenti termici e lavorazioni di finitura dopo la stampa. Questi costi vengono spesso trascurati nel budget, con conseguenti notevoli sforamenti durante la fase di produzione.
• Specificare in modo eccessivo il grado del materiale: L'utilizzo di Inconel quando l'acciaio inossidabile 316L offre prestazioni equivalenti comporta un aumento dei costi di materiale e di lavorazione. Il materiale dovrebbe essere scelto in base all'ambiente di applicazione e non in base alle specifiche più elevate disponibili.
• Saltando l'ottimizzazione del design per la produzione additiva: Le parti metalliche stampate in 3D consentono di realizzare geometrie impossibili da ottenere con la lavorazione meccanica. Sostituire un componente lavorato meccanicamente senza riprogettarlo per la produzione additiva non sarà economicamente competitivo e non permetterà di sfruttare appieno il potenziale di questa tecnologia.

Conclusione 

I materiali metallici per la stampa 3D sono disponibili in una varietà di proprietà, prezzi e applicazioni. Il rame consente di realizzare progetti ottimizzati termicamente ed elettricamente. L'alluminio viene utilizzato per applicazioni in cui il peso è un fattore critico e dove le limitazioni di stampabilità sono accettabili. Per scegliere il materiale giusto per l'applicazione specifica, è importante valutare le proprietà meccaniche, la compatibilità del processo, le esigenze di post-elaborazione e il costo totale.

Boda Tech aiuta i team di ingegneria e approvvigionamento a scegliere il materiale, il processo e l'approccio di produzione più adatti ai loro progetti. Che tu stia producendo il tuo primo componente in metallo tramite manifattura additiva o espandendo un flusso di lavoro esistente, il nostro Servizio di stampa 3D Il nostro servizio comprende la selezione dei materiali, il supporto alla progettazione e la produzione. Visita la nostra pagina dedicata alla stampa 3D personalizzata o contatta il nostro team per discutere del tuo progetto.

FAQ

Quali metalli sono i più comunemente utilizzati nella stampa 3D e perché?

Metalli come l'acciaio (in particolare l'acciaio inossidabile 316L e il 17-4 PH), il titanio (Ti-6Al-4V), il cromo-cobalto (cromo), il rame e le leghe di alluminio per fusione sono attualmente i più comunemente utilizzati nella produzione additiva. L'acciaio è il metallo più diffuso grazie alla sua economicità e versatilità in diversi settori.

Qual è il metallo più resistente che si può stampare in 3D?

Gli acciai più duri sono gli acciai per utensili. In particolare, H13 e D2 sono trattati termicamente. L'Inconel 718 è una lega strutturale che offre un'eccezionale resistenza alla trazione ad alte temperature. Le leghe di titanio come il Ti-6Al-4V sono le più resistenti in termini di rapporto resistenza/peso. La scelta migliore dipenderà dal fatto che si stia misurando il carico di snervamento o la durezza, la resistenza alla fatica o la resistenza alle alte temperature.

Quanto costa la stampa 3D in metallo?

La stampa 3D in metallo ha un costo unitario superiore rispetto alla lavorazione meccanica convenzionale, soprattutto per grandi volumi e geometrie semplici. La produzione additiva è spesso più economica per geometrie complesse o leghe difficili da lavorare, come Inconel o titanio. Il costo finale è fortemente influenzato dalla scelta del materiale, dal processo di lavorazione e dalla post-elaborazione. Per questo motivo è fondamentale calcolare i costi in anticipo.

Il metallo è più resistente della plastica?

Sì, in quasi tutte le applicazioni strutturali. I componenti metallici stampati in 3D hanno proprietà meccaniche pari o superiori a quelle delle loro controparti lavorate meccanicamente con la stessa lega. Sebbene la stampa 3D di compositi a fibra continua sia in grado di raggiungere una resistenza paragonabile a quella dell'alluminio, non può eguagliare le leghe ad alte prestazioni in condizioni di alta temperatura o carico elevato. Il metallo è l'unico materiale utilizzabile per applicazioni che richiedono carico, usura intensa o elevate prestazioni termiche.