Tutto quello che c’è da sapere sulle leghe di nichel per la stampa 3D

Le leghe di nichel svolgono un ruolo essenziale nella stampa 3D grazie alla loro eccellente resistenza al calore, alle sollecitazioni meccaniche e alla corrosione. Queste qualità le rendono particolarmente adatte alla produzione di componenti tecnici in settori esigenti come l’aerospaziale, l’automobilistico, il medico o l’energetico. La loro compatibilità con la manifattura additiva permette di produrre componenti complessi, progettati per funzionare in ambienti estremi. Questa guida vi offre una panoramica delle loro proprietà, dei vantaggi per la stampa 3D, delle principali applicazioni e degli attori principali del settore.

Caratteristiche del materiale

Le leghe di nichel utilizzate nell’industria provengono dal nichel estratto da minerali naturali come la pentlandite, la limonite o la garnièrite. Una volta estratto tramite processi minerari, il minerale viene raffinato per produrre nichel puro, che servirà poi per realizzare leghe con proprietà specifiche.

Alcune delle principali leghe dell’industria portano il nome delle aziende che le hanno brevettate. Le più comuni sono le seguenti:

• Inconel®: gli Inconel formano una famiglia di superleghe a base di nichel e cromo, note per la loro elevata resistenza al calore e alla corrosione. Le due principali leghe, Inconel 625 e Inconel 718, si distinguono per la loro composizione. La 625 è ricca di nichel, cromo, molibdeno e niobio, mentre la 718 contiene più ferro, meno molibdeno, e integra titanio, alluminio e una maggiore quantità di niobio.
• Hastelloy: questa lega, composta principalmente da cobalto, cromo, nichel e molibdeno, offre resistenza alla corrosione in ambienti acidi o chimici. L’Hastelloy® X, una lega austenitica, integra basse quantità di cobalto, molibdeno e tungsteno, il che le conferisce un’eccellente resistenza all’ossidazione ad alta temperatura. Queste proprietà la rendono un materiale di scelta per i motori a reazione e i forni industriali.
• HAYNES®: questa famiglia di superleghe a base di nichel è stata sviluppata da Haynes International, un’azienda riconosciuta per i suoi materiali ad alte prestazioni destinati ad ambienti estremi. Tra le leghe più diffuse figurano le tipologie 230, 282 e 214, note per la loro resistenza al calore e la grande stabilità strutturale.

Oltre alle 3 leghe menzionate, ne esistono altre come il Monel (lega nichel-rame), il Kovar (lega nichel-ferro-cobalto) o ancora l’Invar (lega ferro-nichel contenente il 36% di nichel).

Componente stampato in 3D con Inconel 625 (Crediti foto: ExOne)

Stampa 3D con leghe di nichel

Per essere utilizzato nella stampa 3D, il nichel deve prima essere trasformato in polvere metallica di alta qualità. Questa trasformazione si basa principalmente su tecniche di atomizzazione, in particolare l’atomizzazione a gas e l’atomizzazione al plasma, che sono le più comunemente impiegate. Una volta ottenuta la polvere, essa viene accuratamente selezionata e confezionata. Questi processi sofisticati permettono di produrre polveri di leghe di nichel conformi agli standard rigorosi dei settori industriali avanzati.

La stampa 3D delle leghe di nichel si basa essenzialmente su tecnologie che utilizzano polveri metalliche. Le principali sono la fusione laser su letto di polvere (DMLS), la fusione a fascio di elettroni (EBM) e il DED. Ciascun metodo richiede un’attenta ottimizzazione di parametri come la potenza del fascio (laser o elettrone), la velocità di scansione o lo spessore degli strati, per garantire le proprietà meccaniche e la qualità dei pezzi ottenuti. Nel caso del processo binder jetting, la scelta del legante è importante per assicurare una buona coesione tra gli strati. Inoltre, poiché i pezzi stampati inizialmente sono molto porosi, è essenziale controllare la distribuzione del legante e la densità della polvere per limitare il ritiro e le deformazioni durante la sinterizzazione.

Vantaggi e limiti

Le leghe di nichel presentano numerosi vantaggi quando vengono utilizzate nella manifattura additiva. La loro eccellente resistenza alle alte temperature permette di mantenere l’integrità strutturale anche oltre i 700 °C, rendendole materiali ideali per componenti sottoposti a condizioni estreme. Inoltre, la stampa 3D offre grande libertà di progettazione, permettendo di produrre geometrie complesse e ottimizzate, spesso impossibili da ottenere con metodi tradizionali. Questa capacità progettuale avanzata favorisce la creazione di pezzi più leggeri e performanti, un vantaggio determinante in settori come l’aeronautico o l’automobilistico.

Tuttavia, questi materiali non sono esenti da vincoli. L’elevato costo delle polveri di leghe di nichel rappresenta un ostacolo significativo alla loro adozione, aumentando sensibilmente i costi di produzione. Inoltre, i pezzi derivanti dalla stampa 3D richiedono generalmente operazioni di post-processing, come trattamenti termici o lavorazioni meccaniche aggiuntive, che possono allungare i tempi di produzione. Infine, la manipolazione di polveri metalliche fini solleva problematiche di sicurezza e salute, richiedendo l’adozione di protocolli rigorosi e l’utilizzo di dispositivi di protezione adeguati.

Crediti: EOS (sinistra) / Materialise (destra)

Principali applicazioni

Le leghe di nichel utilizzate nella stampa 3D trovano applicazione in vari settori grazie alle loro proprietà. Nell’industria aerospaziale, vengono utilizzate per produrre componenti di motori a reazione, come pale di turbine e camere di combustione, che devono resistere a temperature estreme e forti sollecitazioni meccaniche. Nel settore automobilistico, queste leghe sono utilizzate per produrre componenti ad alte prestazioni come turbocompressori e sistemi di scarico, grazie alla loro resistenza al calore e alla corrosione. In medicina, sono preferite per la produzione di impianti e dispositivi medici su misura, grazie alla loro durata e biocompatibilità. Infine, nell’industria petrolifera e del gas, vengono utilizzate per la produzione di componenti destinati alle attrezzature di perforazione e trattamento, progettate per resistere ad ambienti altamente corrosivi e temperature elevate. Pertanto, numerose industrie stanno già beneficiando dei vantaggi delle leghe di nichel nella stampa 3D.

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*Crediti copertina: EOS