Trattamenti termici per componenti realizzati in additive manufacturing

I trattamenti termici consentono di conferire particolari caratteristiche meccaniche e tecnologiche ai componenti prodotti in metallo. Per la manifattura additiva occorre effettuare trattamenti appositamente studiati e validati, in grado di sfruttare a pieno le possibilità offerte dalla tecnologia e di garantire prestazioni eccellenti.

Il trattamento termico è un ciclo termico che sottopone i componenti a determinate temperature e a determinati raffreddamenti per ottenere specifiche proprietà. Gruppo Beamit si avvale di due tipologie di trattamento termico, in vuoto e in aria, con appositi forni e impianti. L’impianto ad aria si utilizza per le leghe di alluminio, mentre i forni a vuoto vengono utilizzati per un ampio numero di materiali quali titanio, superleghe di nickel, acciai.

Il trattamento termico consente la distensione dei componenti dalle tensioni residue che possono generarsi durante la stampa; permette inoltre di conferire particolari proprietà meccaniche al materiale scelte in base alle applicazioni previste per il componente.

Sottoporre un metallo ad un ciclo termico implica una variazione della microstruttura: si osserva quindi un incremento della tenacità e dell'allungamento a rottura e una corrispondente diminuzione dei carichi di rottura e di snervamento.

Trattamento termico: i valori più alti di YS e UTS si ottengono per materiale ricotto a 940 ° C

Nell’ambito della manifattura additiva l’applicazione del trattamento termico è sempre consigliabile per evitare tensioni residue, ma può essere omessa per componenti piccoli, che non accumulano molte tensioni durante la stampa, per applicazioni dove non sono richieste particolari proprietà meccaniche, o in alcuni casi, per l’alluminio.

Criticità e sfide da affrontare effettuando trattamenti termici su produzioni additive

Svolgere internamente all’azienda i trattamenti termici implica la creazione di un vero e proprio ecosistema di fornitura che va ben oltre l’acquisto di impianti idonei: occorrono risorse dedicate per la gestione di tutto quello che concerne il ciclo di trattamento termico, sia per la parte di metallurgia che di progettazione della curva ad hoc per il progetto del cliente. A questo si aggiunge la necessità di un controllo qualitativo ed una manutenzione preventiva costanti.

I nostri forni, sia in aria che in vuoto, sono accreditati NADCAP, richiesto per il settore aerospaziale. La AMS 2750 suddivide gli impianti per il trattamento termico in classi, sulla base all’accuratezza della temperatura mantenuta. Per mantenere i forni qualificati sono previsti dei controlli periodici di pirometria, come la prova di uniformità TUS (Temperature Uniformity Survey), la prova SAT e calibrazioni di tutti gli strumenti.

Si tratta di controlli di fondamentale importanza per garantire l’efficienza degli impianti, per questo vengono svolti di frequente e, in alcuni casi, sono di lunga durata; consideriamo ad esempio che un intervento di pirometria può arrivare a durare anche 2 giorni.
Il coordinamento con la produzione ed una perfetta organizzazione sono imprescindibili.

La certificazione NADCAP richiede anche che gli addetti vengano adeguatamente formati: il training viene svolto da un ente esterno e solo gli operatori qualificati possono operare sul forno.
La corretta formazione, unitamente ai sistemi di protezione di cui i forni sono dotati e che non permettono di scaricare i componenti a forno caldo, contribuisce ad aumentare la sicurezza dell’ambiente di lavoro.

Le tipologie di trattamento termico a cui può essere sottoposta la parte additiva

Il trattamento termico più comunemente usato è lo stress relief, utile a detensionare i componenti dalle tensioni che si creano durante il processo di stampa. Applicabile a tutti i materiali, lo stress relief non prevede una modifica significativa della microstruttura, anche se comporta un minimo ingrossamento del grano.
Per le leghe di alluminio gruppo Beamit ha sviluppato internamente un apposito trattamento di stress relief.

Reparto

La solubilizzazione rende omogenee la struttura e le proprietà meccaniche, tende a rimuovere la microstruttura molto fine che si genera durante la produzione additiva.

Il trattamento di invecchiamento prevede una precipitazione di fasi indurenti nel materiale che vanno ad estremizzare la durezza o la resistenza meccanica e a fatica.

Per l’alluminio è disponibile il trattamento termico T6 che prevede una prima fase di solubilizzazione ad alta temperatura (tra 400 e 500 gradi circa), seguita dalla tempra in acqua che raffredda i pezzi molto rapidamente, e infine dall’invecchiamento per conferire le proprietà richieste.

Il trattamento termico varia in base alle finalità e alle caratteristiche del progetto. In ambito aerospace il trattamento termico viene applicato seguendo le specifiche AMS in base alle quali ogni classe di materiale ha un trattamento termico designato. In ambito racing, dove si fa ampio uso di leghe di titanio e leghe di nickel, viene spesso utilizzata la ricottura.

Ricerca e sviluppo di trattamenti termici per la manifattura additiva

La microstruttura di partenza dei componenti realizzati in additive manufacturing è diversa rispetto a quella che si ottiene utilizzando metodi tradizionali; per questo motivo è opportuno sviluppare trattamenti termici specifici che consentono di ottenere il massimo delle proprietà, con risultati analoghi o anche superiori a quelli ottenibili su componenti realizzati con altre modalità produttive.

La ricerca e sviluppo di un trattamento termico inizia solitamente da uno studio bibliografico volto a verificare se siano già stati studiati dei trattamenti termici per un determinato materiale, quali proprietà si è riusciti ad ottenere e con quali range di temperature. Si selezionano quindi i trattamenti termici più promettenti e si effettuano i test per valutare le caratteristiche meccaniche e selezionare la curva che meglio funziona per l’applicazione prevista.

Trattamento termico: provini

Per i materiali di cui possediamo già specifiche standard andiamo a sviluppare trattamenti termici ad hoc in modo da massimizzare le proprietà meccaniche inserendo dei provini di trazione e dei provini di durezza all’interno di un ciclo di trattamento termico.

HIP - Hot Isostatic Pressing

Pres-X, l’azienda del gruppo Beamit specializzata nel post-processo per l’additive manufacturing, è dotata di uno speciale impianto che permette di eseguire simultaneamente sia l’HIP che il successivo trattamento di post-HIP, combinando l’applicazione di temperatura e pressione. Il trattamento HIP consente di densificare il materiale attraverso l’applicazione di pressione eliminando le piccole porosità: si ottiene così una microstruttura omogenea e priva di difetti.

L’impianto presente nel parco macchine PRES-X consente di eseguire HIP, trattamento termico e anche di effettuare un raffreddamento molto rapido, permettendo di conferire particolari proprietà ai componenti. Oltre alla massimizzazione delle proprietà del materiale, la possibilità di eseguire più trattamenti all’interno dello stesso impianto permette di ridurre i tempi del post-processo.