{"id":23738,"date":"2025-02-13T03:13:07","date_gmt":"2025-02-13T02:13:07","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2025\/02\/13\/additive-manufacturing-e-resistenza-a-fatica-un-problema-da-risolvere\/"},"modified":"2025-02-13T03:13:07","modified_gmt":"2025-02-13T02:13:07","slug":"additive-manufacturing-e-resistenza-a-fatica-un-problema-da-risolvere","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2025\/02\/13\/additive-manufacturing-e-resistenza-a-fatica-un-problema-da-risolvere\/","title":{"rendered":"Additive Manufacturing e resistenza a fatica: un problema da risolvere\u00a0"},"content":{"rendered":"
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L\u2019additive manufacturing ha guadagnato notevole attenzione in vari settori, per la produzione di parti di servizio funzionali. Tuttavia, il pieno potenziale dell\u2019additive manufacturing come nuovo mezzo per la produzione di parti strutturali non si \u00e8 ancora pienamente realizzato. Una delle sfide principali per l\u2019adozione di queste tipologie di AM da parte dell\u2019industria \u00e8 l\u2019incertezza nelle propriet\u00e0 strutturali delle parti fabbricate<\/strong>.<\/p>\n

di Marco Rossoni<\/em><\/p>\n

Negli ultimi anni, la manifattura additiva (Additive Manufacturing \u2013 AM), conosciuta anche come stampa 3D, ha registrato un vero e proprio successo. Grazie a questo nuovo concetto di manifattura strato per strato \u00e8 infatti possibile la produzione di componenti con geometrie complesse, la cui ideazione non era prima pensabile dati i vincoli imposti dalle tecnologie tradizionali (e.g. asportazione di truciolo, deformazione plastica, etc.). Diversi casi di successo sono infatti stati documentati sia dalla letteratura scientifica che dall\u2019industria: oramai famoso \u00e8 l\u2019iniettore di carburante per applicazioni aerospaziali progettato e prodotto da General Electric [1], la quale \u00e8 riuscita a consolidare il componente in un\u2019unica parte (dalle 25 parti che lo costituivano originariamente), riducendone il peso del 25% e aumentandone l\u2019efficienza del 15%. I nuovi sviluppi dei processi additivi, insieme alle innovazioni nell\u2019ambito dei materiali avanzati, hanno consentito approcci esclusivi allo sviluppo del prodotto, la produzione e la gestione della catena di approvvigionamento. Pertanto, l\u2019additive manufacturing ha guadagnato notevole attenzione in vari settori, come quello aerospaziale e biomedico, per la produzione di parti di servizio funzionali. Tuttavia, il pieno potenziale dell\u2019additive manufacturing come nuovo mezzo per la produzione di parti strutturali non si \u00e8 ancora pienamente realizzato. La seguente discussione si focalizzer\u00e0 sulla produzione additiva di componenti strutturali in metallo con tecnologie che sfruttano sorgenti laser. Esse possono essere classificate in due categorie principali: fusione laser a letto di polvere (L-PBF), in cui un letto di polvere funge da sistema di alimentazione (e.g. Seletive Laser Melting), e la deposizione laser diretta (DLD), che utilizza un sistema di polvere \u201csoffiata\u201d (e.g. laser engineered net shaping). Gli esempi che seguiranno fanno riferimento principalmente alla tecnologia L-PBF.<\/p>\n

Una delle sfide principali per l\u2019adozione di queste tipologie di AM da parte dell\u2019industria \u00e8 l\u2019incertezza nelle propriet\u00e0 strutturali delle parti fabbricate. Tale incertezza \u00e8 dovuta all\u2019intrinseca eterogeneit\u00e0 microstrutturale e alla presenza di difetti, superficiali ed interni, dispersi casualmente che caratterizzano i componenti stampati 3D. Sebbene notevoli sforzi siano stati messi in atto per ottimizzare e controllare meglio il processo al fine di ottenere strutture pi\u00f9 omogenee e garantire una certa ripetibilit\u00e0 del processo, il numero di parametri oggetto di tale ottimizzazione e controllo \u00e8 molto elevato. In generale, le propriet\u00e0 meccaniche sotto carico statico, (trazione, compressione, durezza, etc.) delle parti stampate sono paragonabili a quelle fabbricate in modo convenzionale [2]. Numerosi studi sulla caratterizzazione delle parti stampate con additive manufacturing, il loro comportamento meccanico, la loro affidabilit\u00e0 e durata sono stati condotti e, nonostante ci\u00f2, la loro caratterizzazione meccanica \u00e8 ancora un problema aperto, specialmente quando gli stessi sono sottoposti a carichi ciclici. In queste condizioni, le cricche da fatica si sviluppano in tre stadi: inizio, propagazione e frattura finale. Contrariamente ai cedimenti dovuti a carico statico, la resistenza a fatica \u00e8 determinata essenzialmente da fattori locali, quali impurit\u00e0 e difetti, tipici dei componenti ottenuti per fabbricazione additiva [3].<\/p>\n

Microstruttura, porosit\u00e0, rugosit\u00e0 superficiale, tensioni residue<\/strong><\/h2>\n

La vita a fatica di qualsiasi prodotto stampato \u00e8 sempre il risultato dell\u2019influenza combinata di molteplici fattori locali. I fattori chiave che influenzano le prestazioni a fatica sono la microstruttura, le porosit\u00e0 e i difetti superficiali, la rugosit\u00e0 superficiale e lo stress residuo indotto dal processo. Non \u00e8 possibile separare l\u2019influenza che questi fattori hanno singolarmente e, quindi, non \u00e8 molto complesso avere un modello matematico che descriva l\u2019interazione e l\u2019impatto separato di questi fattori.<\/p>\n

Come accennato in precedenza, l\u2019additive manufaturing consente la produzione di geometrie complesse, spesso risultanti da ottimizzazioni di natura topologica e\/o di forma. La qualit\u00e0 del componente stampato in 3D dipender\u00e0 sia da parametri di processo che da aspetti relativi alla progettazione. Il tema \u00e8 molto complesso, oggetto negli ultimi anni di intensa attivit\u00e0 di ricerca. Nel resto dell\u2019articolo, si proceder\u00e0 per esempi non allo scopo di presentare una trattazione completa del problema ma con il solo fine di presentare la complessit\u00e0 della tematica.<\/p>\n

La direzione di stampa ha, chiaramente, impatto sull\u2019orientamento delle diverse superfici della geometria stampata: poich\u00e9 la rugosit\u00e0 superficiale \u00e8 correlata all\u2019angolo tra il piano della piastra di costruzione e la superficie stessa, un diverso orientamento del componente sul piatto di stampa porter\u00e0 a una diversa distribuzione della rugosit\u00e0 della superficie. Inoltre, volendo massimizzare il numero di parti stampate in un unico ciclo di stampa, le diverse istanze del componente potrebbero essere orientati in modo differente sul piatto di stampa. \u00a0Avere orientato differentemente i diversi componenti si otterranno diverse distribuzioni di rugosit\u00e0 superficiale, porosit\u00e0 e microstruttura locale e, quindi, differenti prestazioni a fatica. In altre parole, poich\u00e9 la rugosit\u00e0 superficiale ha una forte influenza sulla vita a fatica, i diversi componenti mostreranno un comportamento a fatica diverso, anche se hanno la stessa geometria e sono stati prodotti con la stessa macchina e dallo stesso materiale. Da notare che la differenza di rugosit\u00e0 tra le superfici parallele al piatto di stampa e quelle ad esso perpendicolare pu\u00f2 essere anche di 5 volte [4]. L\u2019orientamento delle superfici dell\u2019oggetto rispetto alla direzione di stampa non \u00e8 per\u00f2 l\u2019unico parametro di processo che influenza la rugosit\u00e0 superficiale: l\u2019orientamento del componente rispetto alla racla, nei processi a letto di polvere (e.g. SLM), \u00e8 un altro fattore determinante, cos\u00ec come la potenza del laser e la strategia di scansione. Peraltro, come segnalato da una recente revisione dello stato dell\u2019arte [5], in letteratura sono presenti molti studi con risultati contradditori proprio sull\u2019influenza che questi parametri di processo hanno sul risultato finale.\u00a0<\/p>\n

Proprio per la natura del processo, soprattutto a causa delle elevate temperature in gioco nella stampa di metalli, le rapide velocit\u00e0 di raffreddamento, i metodi di deposizione della polvere e la solidificazione direzionale portano a caratteristiche microstrutturali del materiale che possono influenzare le propriet\u00e0 meccaniche della parte come porosit\u00e0, microstrutture di non equilibrio e microstrutture anisotropiche. Ad esempio, come riportato in [6] per campioni di Ti-6Al-4V stampati in SLM, a causa dell\u2019elevata velocit\u00e0 di raffreddamento, si ottengono strutture martensitiche molto fini che conferiscono al manufatto finale elevata resistenza allo snervamento ma una duttilit\u00e0 relativamente bassa. Lo stesso articolo riporta risultati anche su campioni realizzati in acciaio inossidabile 316L: in questo caso la rapida solidificazione da origine a una microstruttura austenitica con grani fini (circa 10 \u03bcm) allungati con un elevata densit\u00e0 di dislocazione, equivalente a quella che si otterrebbe dopo una deformazione plastica. Queste microstrutture, unite a difetti causati da fusione non uniforme, polvere parzialmente fusa e intrappolamento di gas che si verificano durante il processo di costruzione, portano ad avere caratteristiche microstrutturali difficilmente prevedibili. Questo rende la procedura di caratterizzazione sperimentale e lo studio di modelli predittivi della resistenza a fatica di un componente stampato particolarmente laboriosi. Si noti che, gli studi qui riportati si riferiscono tutti a provini: \u00e8 noto che il passaggio da provino a componente non \u00e8 immediato.<\/p>\n

Tutto ci\u00f2 presentato, fa riferimento a componenti \u201cas-built\u201d, ossia nelle condizioni in cui si trovano a valle del processo, senza nessun post-processing. Generalmente, prima della rimozione dei supporti, si procede comunque ad un trattamento termico di distensione per ridurre le tensioni interne accumulate a causa del ciclo termico indotto dal processo stesso. Le prestazioni meccaniche, in particolare quelle a fatica, possono essere migliorate e stabilizzate ricorrendo a trattamenti termici addizionali a valle della rimozione meccanica dei supporti. Ovviamente, il tipo di trattamento dipende dal tipo di materiale ma, in generale, i pi\u00f9 gettonati sono il T6 e la pressatura isostatica a caldo. Il secondo combina elevata temperatura con elevate pressioni ed \u00e8 particolarmente indicato quando l\u2019obiettivo \u00e8 migliorare le performance a fatica e ridurre la porosit\u00e0. Oltre ai trattamenti di natura termica, sono disponibili anche altre procedure di post trattamento che agiscono perlopi\u00f9 sulla modifica delle caratteristiche superficiale per mezzo di deformazione plastica o chimica. Si menziona, a titolo di esempio, la pallinatura che ha dimostrato di essere particolarmente efficacie nel migliorare la resistenza a fatica [7].<\/p>\n

Conclusioni<\/strong><\/h2>\n

Abbiamo visto come i componenti strutturali stampati con tecniche additive siano proni a cedimenti a fatica dovuti alla presenza di difetti, scarsa finitura superficiale e tensioni residue indotte dal processo. Queste caratteristiche si presentano in maniera \u201crandom\u201d nei componenti: ci\u00f2 rende la stima della resistenza a fatica dei pezzi un problema complesso e difficilmente risolvibile con i tradizionali approcci alla progettazione. L\u2019indeterminatezza delle performance, unita alla scarsa riproducibilit\u00e0 dei risultati di manifattura, \u00e8 uno dei fattori che limita l\u2019adozione delle tecnologie additive per la realizzazione di componenti strutturali in metallo nel mondo industriale. In tal senso, una delle direzioni di ricerca pi\u00f9 promettenti sfrutta metodologie \u201cdata-driven\u201d in combinazione ad un approccio statistico alla meccanica della frattura. Infatti, la sempre maggior diffusione di macchine sensorizzate permette implementazioni robuste di controllo e monitoraggio \u201cin-situ\u201d del processo [8]. Le misurazioni, perlopi\u00f9 basate su sistemi non a contatto (e.g. computer vision), abilitano da un lato la possibilit\u00e0 di implementare meccanismi di controllo ad anello chiuso correttivi e, dall\u2019altro, una progettazione che tollera la presenza di difetti. Dato che le caratteristiche intrinseche del processo non permettono un approccio alla progettazione deterministico, sono allo studio approcci probabilistici per la determinazione della vita a fatica di provini e componenti [9].<\/p>\n

References<\/strong><\/p>\n