Guida completa alla stampa 3D dell’alluminio

L’alluminio è uno dei metalli più diffusi nel campo della produzione industriale e, più in particolare, della produzione additiva. È una lega metallica forte e leggera che offre una combinazione ideale di proprietà meccaniche e termiche. Le aziende che si occupano dello sviluppo di materiali, in particolare per la produzione additiva, offrono un’ampia varietà di leghe di alluminio destinate alla stampa 3D in metallo. Questi materiali sono davvero versatili e offrono una moltitudine di vantaggi a seconda delle proprietà richieste per ogni applicazione. Per capire meglio le proprietà di questo metallo e i vantaggi che apporta alle parti stampate in 3D, abbiamo dato un’occhiata più da vicino in questa guida completa.

Caratteristiche del materiale

L’alluminio (Al), con numero atomico 13, è un elemento chimico presente ovunque nella crosta terrestre. È un metallo non ferromagnetico, cioè non può essere magnetizzato da un campo magnetico. Molte delle leghe di alluminio disponibili per la produzione additiva sono costituite da una combinazione di elementi metallici e metalloidi, tra cui alluminio, silicio, magnesio o rame. Alcune delle leghe di alluminio più diffuse sono:

• AlSi7Mg – Alluminio con leghe di silicio (7%) e magnesio
• AlSi10Mg – Alluminio con silicio (10%) e leghe di magnesio
• AlSi12 – Alluminio con lega di silicio (12%)
• AlSi9Cu3 – Alluminio con leghe di silicio (9%) e rame (3%)

Crediti: GE

La materia prima da cui si estrae l’alluminio è il minerale noto come bauxite. Per ottenere l’alluminio, la bauxite viene prima trasformata in allumina con il processo Bayer e poi l’alluminio viene estratto con un processo chiamato elettrolisi. Oltre a essere un metallo leggero con un basso punto di fusione, l’alluminio è un ottimo conduttore elettrico e termico. L’uso industriale dell’alluminio lo ha reso uno dei materiali più importanti, sia in termini di quantità che di varietà di impieghi. Vediamo ora come questo metallo viene utilizzato nel campo della produzione additiva.

Stampa 3D dell’alluminio

Quando si tratta di creare parti stampate in 3D con l’alluminio, esistono diversi metodi per farlo. Una delle tecnologie più diffuse per la produzione additiva di metalli è la Laser Powder Bed Fusion (LPBF), in cui un laser fonde punto per punto gli strati di metallo stesi su un letto di polvere. All’interno di questa stessa famiglia, troviamo anche la tecnologia Electron Beam Melting (EBM), con la differenza che la fonte di energia è un fascio di elettroni anziché un laser.

Oltre a queste due, esistono altri metodi di produzione in grado di stampare con l’alluminio, come il binder jetting, il cold metal fusion e la tecnologia WAAM. Infine, possiamo trovare, anche se in misura minore, l’uso dell’alluminio con la tecnologia FDM. Sebbene questo processo funzioni principalmente con filamenti di plastica, alcune aziende hanno sviluppato soluzioni compatibili con questa tecnologia per creare parti più resistenti.

Le parti stampate in 3D in alluminio presentano una serie di vantaggi e svantaggi rispetto ad altri metalli. Tra i vantaggi, l’alluminio è un materiale ad alte prestazioni che offre interessanti proprietà meccaniche e chimiche. Oltre a consentire la fabbricazione di strutture geometriche complesse, ha un elevato rapporto forza-peso ed è resistente agli agenti atmosferici. Tuttavia, le parti stampate in 3D in alluminio sono meno rigide di quelle realizzate in acciaio. Inoltre, a differenza del titanio, l’alluminio non è un metallo biocompatibile, quindi non è la scelta ideale per l’uso nel settore medico, come vedremo di seguito.

L’alluminio è uno dei metalli con il miglior rapporto resistenza/peso.

Al termine del processo di stampa 3D, la maggior parte delle parti in alluminio richiede alcune fasi di post-processing. Ciò è dovuto principalmente al fatto che molte delle tecnologie compatibili con questo metallo fanno parte della famiglia dei processi a letto di polvere. Pertanto, uno dei primi step da eseguire sarà la rimozione della polvere in eccesso e dei supporti di fabbricazione, se sono stati utilizzati.

Inoltre, i pezzi escono dalla macchina con una notevole rugosità superficiale, che di solito è superiore a quella di altri materiali in polvere. Per ottenere un risultato ottimale e liscio, è necessario utilizzare tecniche di post-processing come la lucidatura, la burattatura o la granigliatura per la finitura della superficie. È inoltre possibile applicare trattamenti termici per rafforzare le proprietà dei pezzi finali.

Applicazioni principali

Indipendentemente dal processo utilizzato, le parti stampate in 3D in leghe di alluminio offrono proprietà interessanti per una moltitudine di settori. Oltre alla buona resistenza chimica e alla leggerezza, hanno uno dei migliori rapporti forza-peso di tutti i metalli. Le applicazioni più comuni per questo metallo includono la produzione di piccole serie o prototipi. Altre sono legate all’alleggerimento strutturale o al trasferimento di calore, come nel caso degli scambiatori di calore personalizzati. In combinazione con il silicio e il magnesio, è la scelta per eccellenza di molti attori dell’industria aerospaziale e automobilistica, dove le richieste sono davvero elevate.

Nel settore automobilistico, Porsche ha stampato in 3D i pistoni in alluminio per il suo modello di punta, la GT2 RS. L’uso della produzione additiva in metallo ha permesso all’azienda di ottenere fino a 30 CV in più di potenza dal motore biturbo da 700 CV, migliorando al contempo l’efficienza e le prestazioni del veicolo. Mercedes-Benz, invece, sta stampando in 3D parti di ricambio in alluminio per la sua linea di autocarri e automobili, per garantire una maggiore sicurezza stradale.

Pistoni stampati in 3D in alluminio (foto: Porsche)

Anche l’industria aerospaziale non è rimasta indietro nell’implementazione della stampa 3D dell’alluminio nelle sue attività. Airbus, ad esempio, ha prodotto parti utilizzando leghe di alluminio per il suo A350 XWB e altri aerei, nonché per i suoi satelliti di comunicazione. Anche Boeing si è rivolta alla produzione additiva di metalli per creare parti in alluminio per i suoi aerei, satelliti ed elicotteri. Questa tecnologia all’avanguardia permette di ottenere strutture più leggere e di far viaggiare gli aerei più lontano con meno carburante.

Produttori di alluminio per la stampa 3D

Come detto, il materiale si trova principalmente in polvere, ma anche in filo per alcune tecnologie. Ad oggi, sono solo due le aziende che sviluppano alluminio in forma di filamento per la stampa 3D FDM: The Virtual Foundry (Aluminum 6061 Filamet™) e Zetamix (a base di allumina, cioè ossido di alluminio).

D’altra parte, l’uso di questo materiale in polvere è molto più diffuso. Oggi esistono molte aziende dedicate allo sviluppo di polveri di alluminio, come Elementum 3D, APWorks, Uniformity Labs, ECKA Granules, Equispheres o Constellium, tra le altre. Vale la pena notare che anche alcuni produttori di stampanti 3D, come EOS, sviluppano i propri materiali in polvere.

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*Crediti per la foto di copertina: 3dsla.ru