La stampa 3D in metallo ha un enorme potenziale per rivoluzionare la produzione moderna. Però, i processi di stampa dei metalli più diffusi, che utilizzano i laser per fondere insieme polvere di metallo fine, hanno i loro limiti. Le parti prodotte utilizzando la fusione laser selettiva (SLM) e altre tecniche metalliche a base di polvere spesso finiscono con lacune o difetti causati da una varietà di fattori.

Per superare gli inconvenienti di SLM, ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory, insieme ai collaboratori del Worchester Polytechnic Institute, stanno adottando un approccio completamente nuovo alla stampa 3D in metallo con un processo che chiamano scrittura diretta in metallo, in cui il metallo semisolido viene estruso direttamente da un ugello. Il metallo è progettato per essere un materiale che assottiglia il taglio, il che significa che si comporta come un solido quando sta fermo, ma scorre come un liquido quando viene applicata una forza. I risultati dello studio triennale in corso sono stati pubblicati a febbraio in Lettere di fisica applicata .

"Siamo in un nuovo territorio, " ha detto l'autore principale Wen Chen, uno scienziato dei materiali LLNL. "Abbiamo avanzato una nuova tecnica di produzione additiva in metallo di cui le persone non sono ancora a conoscenza. Penso che molte persone saranno interessate a continuare questo lavoro e ad espanderlo in altre leghe".

Invece di iniziare con polvere di metallo, la tecnica di scrittura diretta in metallo utilizza un lingotto che viene riscaldato fino a raggiungere uno stato semi-solido:le particelle di metallo solido sono circondate da un metallo liquido, con conseguente comportamento pastoso, poi è forzato attraverso un ugello. Il materiale si assottiglia per taglio perché, quando è a riposo, le particelle metalliche solide si aggregano e rendono solida la struttura. Non appena il materiale si muove, o è in taglio, le particelle solide si rompono e il sistema si comporta come la matrice liquida. Si indurisce raffreddandosi, quindi c'è meno ossido incorporato e meno stress residuo nella parte, hanno spiegato i ricercatori.

Pur incoraggiati dal loro successo nella stampa di pezzi di prova, i ricercatori hanno avvertito che il metodo è ancora nelle sue fasi iniziali e avrà bisogno di più lavoro per ottenere parti a risoluzione più elevata con metalli più adatti all'industria, come alluminio e titanio. Nella carta, il team ha prodotto parti utilizzando una miscela di bismuto-stagno, che ha un punto di fusione basso inferiore a 300 gradi Celsius. Il processo ha richiesto numerose iterazioni per essere corretto, quando i ricercatori si sono imbattuti nel problema dei dendriti, dita di metallo solido che sarebbero rimaste bloccate nell'ugello.

"Il problema principale era ottenere un controllo molto stretto sul flusso, "Ha detto l'ingegnere LLNL Andy Pascall. "È necessario un controllo preciso della temperatura. Come lo mescoli, quanto velocemente lo mescoli, tutto fa la differenza. Se riesci a ottenere le proprietà del flusso corrette, allora hai davvero qualcosa. Quello che abbiamo fatto è capire veramente il modo in cui il materiale scorre attraverso l'ugello. Ora abbiamo ottenuto un controllo così buono che possiamo stampare strutture autoportanti. Non è mai stato fatto prima".

I ricercatori hanno affermato che l'ultimo studio fornirà condizioni operative accurate per la stampa con metallo direttamente da un ugello. Stanno già passando alle leghe di alluminio, un metallo che sarebbe più attraente per settori come quello aerospaziale e dei trasporti, ma presenterà sfide a causa del suo punto di fusione più elevato.

"Essere in grado di stampare parti in metallo in questo modo è potenzialmente importante, " ha detto lo scienziato dello staff Luke Thornley, che ha lavorato all'ingegnerizzazione del materiale. "Molto del lavoro che va nella convalida e nell'analisi dei difetti verrebbe eliminato. Possiamo usare meno materiale per realizzare parti, significa parti più leggere, che sarebbe grande per l'aerospaziale."