Acciaio Maraging M300 Stampato in 3D: Il Segreto per una Superficie Perfetta è la Burattatura!

Ciao a tutti, appassionati di tecnologia e innovazione! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo della stampa 3D metallica, un campo che sta rivoluzionando industrie come l’aerospaziale, l’automotive e persino il medicale. Parleremo di un materiale dalle prestazioni eccezionali, l’acciaio maraging M300, e di come una tecnica di post-lavorazione apparentemente semplice, la burattatura (o tumbling, se preferite l’inglese), possa fare miracoli sulla sua superficie dopo la stampa 3D.

La tecnologia di cui parliamo specificamente è la Selective Laser Melting (SLM), o Fusione Laser Selettiva. Immaginate un letto di finissima polvere metallica e un laser potente che, strato dopo strato, fonde selettivamente questa polvere seguendo un modello digitale. Il risultato? Pezzi metallici complessi, leggeri e con proprietà meccaniche spesso superiori a quelli realizzati con metodi tradizionali. L’acciaio maraging M300, una lega ferro-nichel quasi priva di carbonio ma ricca di altri elementi come molibdeno e cobalto, è uno dei protagonisti di questa rivoluzione grazie alla sua incredibile resistenza e tenacità.

La Sfida della Superficie Grezza

C’è un “ma”, però. Uno dei limiti più noti dei pezzi stampati in 3D con SLM è la loro rugosità superficiale. Appena usciti dalla stampante, questi componenti non sono lisci come uno specchio. Anzi, la loro superficie può essere piuttosto ruvida, con valori di rugosità media aritmetica (Ra) che tipicamente variano tra 5 e 50 µm (micrometri), anche se spesso si attestano sotto i 20 µm. Questa rugosità è dovuta a diversi fattori: le particelle di polvere parzialmente fuse che rimangono attaccate, la natura stessa del processo strato su strato, i parametri del laser, ecc. Per molte applicazioni, specialmente quelle che richiedono alta precisione, basso attrito o buona resistenza a fatica, questa rugosità è un problema da risolvere.

L’Indagine sull’Acciaio Maraging M300

Ed è qui che entra in gioco la ricerca di cui vi parlo oggi. Un gruppo di studiosi si è concentrato proprio sull’acciaio maraging M300 stampato via SLM, con l’obiettivo di capirne a fondo le caratteristiche e, soprattutto, di trovare un modo efficace ed economicamente accessibile per migliorarne la finitura superficiale.

Il Punto di Partenza: La Polvere

Tutto inizia dalla materia prima: la polvere di acciaio maraging M300. La sua qualità è fondamentale per il successo della stampa. I ricercatori hanno esaminato attentamente questa polvere usando tecniche avanzate come la microscopia elettronica a scansione (SEM). Hanno osservato che le particelle sono prevalentemente sferiche, il che è ottimo per la fluidità e la densità di impaccamento nel letto di polvere. Tuttavia, non tutte le particelle sono perfette: alcune presentano delle particelle più piccole attaccate (chiamate “satelliti”), altre hanno forme irregolari, allungate o sono agglomerate. Questi “difetti” sono comuni nei processi di atomizzazione a gas usati per produrre le polveri metalliche.

Hanno anche analizzato la distribuzione delle dimensioni delle particelle (PSD), confermando che rientrava nell’intervallo desiderato (circa 15-90 µm), con una dimensione media (Dv50) di circa 35.5 µm. Infine, hanno misurato la porosità interna alle particelle stesse, trovando valori molto bassi, intorno allo 0.07%, segno di una buona qualità della polvere.

Dalla Polvere al Solido: Stampa e Microstruttura

Successivamente, i campioni sono stati stampati utilizzando una stampante SLM Renishaw AM500, impostando parametri specifici come potenza del laser (250 W), velocità di scansione (650 mm/s) e spessore dello strato (50 µm) per ottenere pezzi densi e con buone proprietà. L’analisi dei campioni stampati ha rivelato una porosità residua molto bassa (circa 0.07%), un risultato eccellente che indica un processo di fusione efficace.

Guardando la microstruttura al microscopio, si potevano osservare le caratteristiche “piscine di fusione” (melt pools), risultato della rapida fusione e solidificazione della polvere da parte del laser. La struttura era a grana fine, con grani che a volte crescevano anche attraverso i confini delle diverse piscine di fusione, un fenomeno noto come crescita epitassiale, influenzato dai gradienti termici durante la stampa.

La Magia della Burattatura

Arriviamo al cuore della questione: migliorare la superficie. Invece di ricorrere a tecniche complesse e costose come la lucidatura laser o elettrochimica, i ricercatori hanno optato per la burattatura centrifuga. Hanno preso i campioni stampati (“as-built”) e li hanno messi in un buratto OTEC insieme a degli abrasivi specifici (chips ceramici, plastici e di porcellana) e un composto liquido. Hanno testato diversi tempi di lavorazione: 180, 360 e 480 minuti, facendo passare i campioni in sequenza attraverso i tre tipi di medium abrasivo.

Risultati Sorprendenti: Una Superficie Trasformata

I risultati sono stati, a dir poco, impressionanti. Già dopo 180 minuti totali di burattatura, la rugosità superficiale era drasticamente diminuita. Il valore Ra (la media aritmetica delle altezze del profilo) è passato da 5.34 µm nel campione grezzo a soli 0.52 µm – un miglioramento del 90%! Anche altri parametri di rugosità 2D (come Rz, l’altezza media picco-valle) e 3D (come Sa, l’equivalente 3D di Ra) hanno mostrato riduzioni enormi.

Aumentando il tempo di burattatura a 360 minuti, i valori sono scesi ulteriormente: Ra a 0.48 µm e Sa a 0.41 µm. Ma il top si è raggiunto dopo 480 minuti:

• Ra = 0.26 µm (miglioramento del 95% rispetto al grezzo!)
• Rz = 2.08 µm (miglioramento del 94%)
• Sa = 0.35 µm (miglioramento del 93%)
• Sz (altezza massima picco-valle 3D) = 21.42 µm (ridotta da ben 110.83 µm, un miglioramento dell’80%!)

Questi valori indicano una superficie estremamente liscia, paragonabile a quella ottenibile con lavorazioni meccaniche tradizionali, ma ottenuta con un processo relativamente semplice ed economico. È interessante notare che la differenza tra 360 e 480 minuti non è enorme, suggerendo che 360 minuti potrebbero già essere sufficienti per molte applicazioni, ottimizzando i tempi di processo.

Uno Sguardo Ravvicinato: Topografia e Morfologia

Le misure numeriche sono importanti, ma le immagini spesso parlano più forte. Le immagini topografiche 3D e quelle al microscopio elettronico (SEM) mostrano chiaramente l’effetto della burattatura. Il campione grezzo presenta una superficie caotica, con picchi alti (dovuti a schizzi di metallo fuso, lo “splatter”), valli profonde (pori o zone non fuse) e particelle attaccate.

Man mano che il tempo di burattatura aumenta, si vede come i picchi vengano spianati, le valli si riempiano parzialmente (probabilmente per effetto della deformazione plastica superficiale e del materiale abrasivo) e i difetti come particelle parzialmente fuse, satelliti e micro-cricche vengano rimossi. Dopo 360-480 minuti, la superficie appare molto più uniforme e levigata. La burattatura, in pratica, rimuove lo strato superficiale più irregolare e ne crea uno nuovo, più liscio.

Non Solo Rugosità: Bagnabilità e Chimica Superficiale

La ricerca ha indagato anche altri aspetti. La bagnabilità della superficie, misurata tramite l’angolo di contatto con una goccia d’acqua, è migliorata dopo la burattatura. L’angolo di contatto è diminuito (passando da circa 77° a 65°), indicando che la superficie è diventata più “amica” dell’acqua (più idrofila), il che può essere importante per applicazioni che coinvolgono fluidi o rivestimenti. Entrambe le superfici, grezza e burattata, mostrano comunque un comportamento “bagnante” (angolo < 90°).

È stata analizzata anche la composizione chimica superficiale. Si è notato che dopo la burattatura la percentuale di Titanio (Ti) diminuiva leggermente, probabilmente perché lo strato più esterno, arricchito di Ti durante la stampa, veniva rimosso. Al contempo, aumentava leggermente la percentuale di Silicio (Si), attribuibile al composto utilizzato durante la burattatura. Sono state trovate anche tracce di Alluminio (Al), Vanadio (V) e Cromo (Cr), probabilmente residui da lavorazioni precedenti nella stampante 3D (contaminazione incrociata con una lega Ti-6Al-4V). Tuttavia, la composizione base dell’acciaio maraging (Fe, Ni, Co, Mo) rimaneva sostanzialmente invariata, confermando che la burattatura non altera chimicamente il materiale in modo significativo, a parte questi piccoli aggiustamenti superficiali.

Perché Tutto Questo è Importante?

Questa ricerca dimostra in modo convincente che la burattatura è una tecnica di post-processing estremamente efficace per migliorare la qualità superficiale dei componenti in acciaio maraging M300 stampati in 3D con SLM. Raggiungere rugosità così basse (Ra < 0.3 µm, Sa < 0.4 µm) apre le porte a un utilizzo ancora più ampio di questo materiale e di questa tecnologia in settori esigenti.
Pensiamo a:

• Aerospazio e Automotive: Componenti con superfici lisce hanno migliori proprietà a fatica e minore resistenza aerodinamica o fluidodinamica.
• Industria Energetica: Superfici più lisce possono migliorare l’efficienza in turbine o scambiatori di calore.
• Stampi e Utensili: Una bassa rugosità è cruciale per la qualità dei pezzi stampati o lavorati.
• Settore Medicale: Strumenti chirurgici o impianti richiedono superfici lisce per biocompatibilità, facilità di sterilizzazione e riduzione dell’attrito. La buona bagnabilità può favorire l’adesione cellulare dove richiesto.

Limiti e Prospettive Future

Come ogni ricerca seria, anche questa riconosce i propri limiti. La misura della porosità potrebbe essere affinata con tecniche come la tomografia computerizzata a raggi X (XRCT). Lo studio si è concentrato sulla superficie, ma non ha valutato come la burattatura influenzi le proprietà meccaniche (durezza, fatica, tensioni residue) o la resistenza alla corrosione; questi aspetti andrebbero indagati, magari combinando la burattatura con rivestimenti galvanici. L’analisi microstrutturale potrebbe essere approfondita con tecniche come l’EBSD per capire meglio l’orientamento dei grani. Infine, non è stata analizzata la finitura degli spigoli vivi. Sono tutti spunti interessanti per lavori futuri!

In Conclusione

La combinazione di stampa 3D SLM e acciaio maraging M300 offre già potenzialità enormi. Questa ricerca aggiunge un tassello fondamentale, dimostrando che un post-processing come la burattatura, relativamente semplice ed economico, può elevare la qualità superficiale a livelli eccellenti, rendendo questi componenti ancora più performanti e adatti a un’ampia gamma di applicazioni high-tech. È la dimostrazione che a volte, per ottenere grandi risultati, basta… far fare un bel giro ai nostri pezzi in un buratto!

Fonte: Springer