Tutto quello che c’è da sapere sulla stampa 3D del cromo cobalto

Il cromo cobalto è una lega metallica che ha acquisito importanza in diverse applicazioni industriali, in particolare nella produzione additiva. Grazie alla sua combinazione unica di resistenza e durabilità, il cromo cobalto è ideale per la realizzazione di componenti che richiedono alta precisione e resistenza in condizioni impegnative, come elementi medicali e dentali. Questa lega si distingue non solo per le sue proprietà meccaniche, ma anche per la capacità di essere modellata in forme complesse mediante la stampa 3D, aprendo nuove possibilità nella progettazione e produzione di parti personalizzate. In questa guida esploreremo le proprietà del cromo cobalto, i suoi vantaggi nella stampa 3D, le principali applicazioni e i produttori presenti sul mercato.

Caratteristiche del materiale

Come suggerisce il nome, questa lega metallica (CoCr) è composta principalmente dagli elementi chimici cromo e cobalto. Contiene anche una piccola percentuale di altri elementi chimici, come molibdeno, tungsteno e nichel. Si tratta di una lega non magnetica ottenuta attraverso processi metallurgici avanzati che prevedono la fusione di cobalto e cromo con altri elementi per migliorarne le proprietà meccaniche e la resistenza. Uno dei metodi più comuni per ottenerla è la fusione in forno elettrico, in cui questi metalli vengono fusi ad alte temperature in forni a induzione o ad arco elettrico. In alcuni casi, una volta ottenuta la lega liquida, questa può essere sottoposta a un processo di forgiatura, che comporta il riscaldamento e la modellatura del materiale mediante l’applicazione di pressione.

Tuttavia, quando è richiesto sotto forma di polvere metallica per applicazioni di stampa 3D, il cromo cobalto può essere ottenuto anche tramite sputtering. In questo processo, la lega viene trasformata in particelle fini utilizzando tecniche di atomizzazione o sputtering, che ne permettono l’impiego nelle tecnologie di produzione additiva basate su letto di polvere. Queste tecniche consentono di creare componenti complessi a partire da polvere metallica, offrendo maggiore flessibilità nella progettazione e produzione di componenti ad alta precisione. Tra le caratteristiche più rilevanti del cromo cobalto troviamo:

• Resistenza alla corrosione, soprattutto in ambienti ostili come quelli con alte concentrazioni di cloruri. Questo è particolarmente importante nelle applicazioni mediche, dove il contatto con i fluidi corporei è costante.
• Elevata durezza e resistenza meccanica rendono questa lega una scelta ideale per componenti sottoposti a forti sollecitazioni meccaniche. Inoltre, la sua capacità di mantenere l’integrità strutturale anche ad alte temperature rappresenta un vantaggio significativo.
• Biocompatibilità: grazie alla sua resistenza alla corrosione e alla stabilità chimica, la lega cromo cobalto è altamente biocompatibile. Di conseguenza, generalmente non provoca reazioni indesiderate nel corpo umano, permettendone l’impiego nel settore medicale.
• Elevata conducibilità termica che consente di dissipare il calore in modo efficiente in determinate applicazioni.
• Alta stabilità termica, ovvero resistenza alla deformazione a temperature elevate. È quindi ideale per componenti che operano in condizioni estremamente calde.

Stampa 3D del cromo cobalto

La lega di cromo cobalto può essere utilizzata nella produzione additiva, sotto forma di polvere, per creare componenti con geometrie complesse. Il materiale è principalmente compatibile con processi come la Laser Powder Bed Fusion (LPBF), la Electron Beam Melting (EBM) o la SLM. Il punto di fusione della lega cromo cobalto si aggira intorno ai 1.200-1.400°C, a seconda della composizione esatta. Si tratta di una temperatura piuttosto elevata rispetto ad altri metalli comunemente usati nella stampa 3D, come l’alluminio o l’acciaio inossidabile. Per questo motivo, il processo di stampa 3D del cromo cobalto deve essere condotto ad alte temperature, richiedendo un controllo preciso dell’ambiente di stampa e attrezzature di alta qualità.

L’utilizzo del cromo cobalto nella stampa 3D presenta alcune considerazioni tecniche specifiche dovute alle sue proprietà fisiche e chimiche. Poiché la lega ha un’elevata temperatura di fusione, l’energia del laser deve essere regolata per evitare evaporazione o scarsa fusione del materiale. Inoltre, poiché la lega contiene cromo, un metallo altamente reattivo, devono essere prese precauzioni aggiuntive per controllare l’ambiente di stampa. Si raccomanda l’uso di atmosfere inerti come argon o azoto per evitare reazioni indesiderate con l’ossigeno. Un altro aspetto importante è la fluidità della polvere. Il cromo cobalto è meno fluido rispetto ad altri metalli, il che può rendere difficile una distribuzione uniforme della polvere durante il processo di produzione. Per ovviare a ciò, è necessario utilizzare parametri di stampa ben calibrati per garantire una fusione uniforme e una buona qualità superficiale delle parti prodotte.

Dopo la stampa 3D, è necessario eseguire diverse fasi di post-processing. In primo luogo, le parti devono essere raffreddate lentamente per evitare tensioni interne o deformazioni. Successivamente, si procede alla pulizia, che comprende la rimozione della polvere residua e dei supporti di stampa (se presenti). In alcuni casi, soprattutto nelle applicazioni medicali, può essere necessario applicare un trattamento termico, come la ricottura. Questo trattamento migliora la struttura cristallina e la resistenza meccanica della lega, e quindi dei componenti. Infine, tecniche come la lucidatura (elettrolitica o meccanica) vengono comunemente utilizzate per ottenere una superficie liscia e di alta qualità.

Principali applicazioni e produttori sul mercato

Grazie alla sua resistenza alla corrosione, durezza e biocompatibilità, la stampa 3D con cromo cobalto è utilizzata in una moltitudine di settori. Viene impiegata principalmente nella realizzazione di componenti medicali, come impianti ortopedici, protesi dentarie e dispositivi chirurgici. In queste applicazioni, i componenti devono possedere un’elevata resistenza meccanica ed essere perfettamente compatibili con il corpo umano. È inoltre impiegata nei settori aerospaziale e automobilistico per la produzione di componenti sottoposti a condizioni estreme di temperatura e usura, come turbine e parti di motore.

Diverse aziende offrono soluzioni di produzione additiva, oltre a materiali compatibili con le loro macchine. Colibrium Additive (parte di GE Aerospace) è uno dei principali produttori di metalli per la stampa 3D. In particolare, sviluppa leghe CoCr proprie compatibili con le sue macchine LPBF ed EBM. Anche EOS, Eplus3D, Renishaw e 3D Systems, tra gli altri, offrono polveri di cromo cobalto progettate e testate per l’uso nei sistemi di stampa metallica di queste aziende.

Vale anche la pena menzionare che diversi fornitori di materiali offrono questo metallo per il settore della produzione additiva. Tra questi, Carpenter Additive, con la sua linea PowderRange® (CCM®-MC e CCM®), e Sandvik con la gamma standard di polveri metalliche Osprey®, che include la polvere di cromo cobalto per la stampa 3D.

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*Crediti immagine di copertina: PiTch_ / David Doleac