Per millenni, i metallurgisti hanno meticolosamente modificato gli ingredienti dell'acciaio per migliorarne le proprietà. Di conseguenza, oggi esistono diverse varianti di acciaio; ma un tipo, detto acciaio martensitico, si distingue dai suoi cugini d'acciaio come più forte e più conveniente da produrre. Quindi, gli acciai martensitici si prestano naturalmente ad applicazioni in ambito aerospaziale, industria automobilistica e della difesa, tra gli altri, dove ad alta resistenza, le parti leggere devono essere prodotte senza aumentare i costi.

Però, per queste e altre applicazioni, i metalli devono essere incorporati in strutture complesse con una perdita minima di resistenza e durata. Ricercatori della Texas A&M University, in collaborazione con scienziati dell'Air Force Research Laboratory, hanno ora sviluppato linee guida che consentono la stampa 3D di acciai martensitici in materiali molto robusti, oggetti privi di difetti di qualsiasi forma.

"Gli acciai forti e tenaci hanno applicazioni straordinarie, ma i più resistenti sono generalmente costosi, l'unica eccezione sono gli acciai martensitici che sono relativamente economici, costa meno di un dollaro per libbra, " ha detto il dottor Ibrahim Karaman, Professore Chevron I e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Abbiamo sviluppato una struttura in modo che la stampa 3D di questi acciai duri sia possibile in qualsiasi geometria desiderata e l'oggetto finale sarà praticamente privo di difetti".

Sebbene la procedura sviluppata fosse inizialmente per gli acciai martensitici, i ricercatori del Texas A&M hanno affermato di aver reso le loro linee guida sufficientemente generali in modo che la stessa pipeline di stampa 3D possa essere utilizzata anche per costruire oggetti complessi da altri metalli e leghe.

I risultati dello studio sono stati riportati nel numero di dicembre della rivista Acta Materialia .

Gli acciai sono fatti di ferro e una piccola quantità di altri elementi, compreso il carbonio. Gli acciai martensite si formano quando gli acciai vengono riscaldati a temperature estremamente elevate e quindi raffreddati rapidamente. L'improvviso raffreddamento confina in modo innaturale gli atomi di carbonio all'interno dei cristalli di ferro, conferendo all'acciaio martensitico la sua caratteristica forza.

Per avere diverse applicazioni, acciai martensitici, in particolare un tipo chiamato acciai martensitici bassolegati, devono essere assemblati in oggetti di diverse forme e dimensioni a seconda di una particolare applicazione. Ecco quando la produzione additiva, più comunemente nota come stampa 3D, fornisce una soluzione pratica. Utilizzando questa tecnologia, oggetti complessi possono essere costruiti strato per strato riscaldando e fondendo un singolo strato di polvere metallica lungo uno schema con un raggio laser tagliente. Ciascuno di questi livelli uniti e impilati crea l'oggetto finale stampato in 3D.

Però, La stampa 3D di acciai martensitici mediante laser può introdurre difetti non intenzionali sotto forma di pori all'interno del materiale.

"Le porosità sono piccoli fori che possono ridurre drasticamente la resistenza dell'oggetto stampato in 3D finale, anche se la materia prima utilizzata per la stampa 3D è molto resistente, " ha detto Karaman. "Per trovare applicazioni pratiche per il nuovo acciaio martensitico, dovevamo tornare al tavolo da disegno e indagare su quali impostazioni del laser potevano prevenire questi difetti."

Per i loro esperimenti, Karaman e il team di Texas A&M hanno prima scelto un modello matematico esistente ispirato dalla saldatura per prevedere come si sarebbe sciolto un singolo strato di polvere di acciaio martensitico per diverse impostazioni di velocità e potenza del laser. Confrontando il tipo e il numero di difetti osservati in una singola traccia di polvere fusa con le previsioni del modello, sono stati in grado di modificare leggermente la struttura esistente in modo che le previsioni successive siano migliorate.

Dopo alcune di queste iterazioni, il loro quadro potrebbe prevedere correttamente, senza bisogno di ulteriori esperimenti, se un nuovo, un set di impostazioni laser non testato porterebbe a difetti nell'acciaio martensitico. I ricercatori hanno detto che questa procedura è più efficiente in termini di tempo.

"Testare l'intera gamma di possibilità di impostazione del laser per valutare quali possono portare a difetti è estremamente dispendioso in termini di tempo, e a volte, anche poco pratico, " ha detto Raiyan Seede, uno studente laureato presso il College of Engineering e l'autore principale dello studio. "Combinando esperimenti e modelli, siamo stati in grado di sviluppare un semplice, Presto, procedura passo passo che può essere utilizzata per determinare quale impostazione funzionerebbe meglio per la stampa 3D di acciai martensitici."

Seede ha anche osservato che sebbene le loro linee guida siano state sviluppate per garantire che gli acciai martensitici possano essere stampati privi di deformità, la loro struttura può essere utilizzata per stampare con qualsiasi altro metallo. Ha detto che questa applicazione estesa è dovuta al fatto che la loro struttura può essere adattata per corrispondere alle osservazioni degli esperimenti a traccia singola per qualsiasi dato metallo.

"Anche se abbiamo iniziato concentrandoci sulla stampa 3D di acciai martensitici, da allora abbiamo creato una pipeline di stampa più universale, " disse Karaman. "Inoltre, le nostre linee guida semplificano l'arte della stampa 3D dei metalli in modo che il prodotto finale sia privo di porosità, che è uno sviluppo importante per tutti i tipi di industrie di produzione additiva in metallo che rendono parti semplici come viti a quelle più complesse come i carrelli di atterraggio, riduttori o turbine."