Nuove leghe resistenti al calore: in Giappone la stampa 3D supera i limiti dell’alluminio

L’alluminio è considerato un materiale molto versatile, soprattutto per la sua duplice caratteristica di essere leggero e resistente al tempo stesso. È infatti la lega metallica più diffusa nel settore industriale e in particolare nella produzione additiva. Tuttavia, se sottoposto ad alte temperature, le sue prestazioni meccaniche diminuiscono notevolmente. Questo limite presenta notevoli svantaggi nel campo delle applicazioni aerospaziali e automobilistiche, dove parti come turbine e motori necessitano di un’importante resistenza termica.

Per ovviare al problema, i ricercatori dell’Università di Nagoya, in Giappone, hanno utilizzato la stampa 3D metallica per creare una nuova serie di leghe di alluminio ottimizzata per avere una maggiore resistenza meccanica e tolleranza al calore. Tutte le nuove leghe utilizzano elementi a basso costo e reperibili in abbondanza, sono riciclabili e una delle varianti mantiene sia resistenza sia flessibilità a una temperatura fino a 300°C. Lo studio è stato pubblicato di recente su Nature Communications.

Superare la tradizione per creare la “lega perfetta”

I ricercatori hanno sviluppato un metodo sistematico per prevedere quali elementi rinforzeranno la matrice di alluminio e quali formeranno micro o nano strutture protettive. Hanno verificato queste previsioni creando nuove leghe con rame, manganese e titanio, confermando poi i risultati tramite microscopia elettronica.

La lega con le migliori prestazioni contiene alluminio, ferro, manganese e titanio e supera tutti gli altri materiali in alluminio stampati in 3D, combinando resistenza alle alte temperature e flessibilità a temperatura ambiente.

«Il progetto si concentra sul ferro, che i metallurgisti di solito non aggiungono all’alluminio perché rende il metallo fragile e suscettibile alla corrosione», ha spiegato Naoki Takata, autore principale e professore presso la Graduate School of Engineering dell’Università di Nagoya.

Dall’immagina sopra, si può osservare, a diverse scale microscopiche, come la stampa 3D modifichi la struttura delle leghe di alluminio. Sono visibili i seguenti processi (dall’alto in basso): il processo di fusione e solidificazione strato su strato, l’organizzazione dei grani interni che determina la resistenza meccanica e la distribuzione di particelle microscopiche all’interno e ai bordi del materiale, elementi chiave che ne influenzano il comportamento sotto carico e alle alte temperature.

Riprogettare la struttura interna dell’alluminio con la stampa 3D

La svolta nasce dall’utilizzo della laser powder bed fusion, un processo di stampa 3D in cui il metallo fonde e solidifica in pochi secondi. Come spiega anche il professor Naoki Takata, questa tecnologia permette di “intrappolare” ferro e altri elementi in forme metastabili, risultati che non si ottengono con i metodi di produzione convenzionali. Grazie a un approccio di progettazione sistematico, il team di ricerca ha individuato gli elementi capaci di rinforzare la matrice di alluminio e di creare micro e nano-strutture protettive, migliorando resistenza e tolleranza al calore senza comprometterne la stampabilità.

Le nuove leghe sviluppate, a base di alluminio e ferro e arricchite con rame, manganese e titanio, uniscono leggerezza, elevata resistenza meccanica e stabilità alle alte temperature, mantenendo al contempo un approccio sostenibile grazie all’uso di materiali riciclabili. La progettazione innovativa consente agli elementi aggiunti di rinforzare la struttura interna del metallo e di migliorarne la duttilità, permettendo la produzione di componenti più performanti e duraturi. Tutte le leghe, inoltre, utilizzano materiali a basso costo, rendendo la soluzione non solo tecnologicamente avanzata, ma anche ecosostenibile.

Il Professor Takata ha inoltre osservato: «Il nostro metodo si basa su principi scientifici consolidati riguardo al comportamento degli elementi durante la solidificazione rapida nella stampa 3D ed è applicabile anche ad altri metalli. Le leghe si sono dimostrate inoltre più facili da stampare in 3D rispetto all’alluminio ad alta resistenza convenzionale, che spesso si crepa o si deforma durante la fabbricazione».

Veicoli più leggeri, meno emissioni

Il segreto del loro successo risiede nel controllo preciso della microstruttura: alcune fasi metastabili rafforzano il metallo, mentre il titanio favorisce grani più fini e maggiore duttilità. Secondo i ricercatori, questa innovazione promette di aprire nuove possibilità per componenti automobilistici e aerospaziali, riuscendo ad unire alle alte prestazioni la sostenibilità ambientale.

I nuovi materiali potrebbero consentire la realizzazione di componenti in alluminio leggeri per parti che operano a elevate temperature, come rotori di compressori e componenti di turbine.

Anche il settore aerospaziale potrebbe trarre vantaggio, poiché i motori degli aeromobili richiedono materiali che uniscano leggerezza e resistenza al calore. Infine, la ricerca fornisce un quadro di riferimento per progettare nuove classi di metalli specificamente pensati per la stampa 3D, con il potenziale di accelerare lo sviluppo in diversi settori industriali.

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*Crediti di tutte le foto: Nagoya University