Additive manufacturing e fonderia: casi a confronto

Le tecnologie di fabbricazione additiva si stanno sempre più affermando come strumento di produzione di componenti metallici impiegati nei settori ingegneristici in virtù dei significativi vantaggi legati alla realizzazione di geometrie complesse non altrimenti realizzabili con altre tecnologie. In questo contesto le leghe di alluminio, ed in particolare la lega AlSi10Mg, è frequentemente utilizzata in ambito automobilistico, aerospaziale e dell’automazione industriale dove i componenti sono frequentemente soggetti anche a sollecitazioni impulsive. La peculiare microstruttura dei componenti in lega di alluminio ottenuti mediante manifattura additiva porta quindi a doverne considerare anche l’influenza sulle proprietà ad impatto mediante esecuzione di prove di resilienza strumentata.

La produzione mediante tecnologia additiva

L’interesse per la tecnologia dell’Additive Manufacturing (AM) sta vivendo una crescita esponenziale sia in ambito di ricerca sia in ambito industriale. Tale tecnologia si configura infatti come uno dei processi produttivi più promettenti per la fabbricazione di componenti strutturali in diverse leghe metalliche e tra queste anche leghe caratterizzate da basso peso specifico ed elevate prestazioni come quelle di alluminio. La maggiore produttività associata alla completa flessibilità nel design di forme anche complesse accostate ad un ridotto volume di materiale di scarto rappresentano fattori strategici per la produzione su larga scala. Sin dalla sua introduzione nella realtà industriale la manifattura additiva ha profondamente modificato il modo di produrre, attraverso l’applicazione di sistemi flessibili, precisi, ad elevato rendimento e ridotto consumo di risorse. Per contro, la notevole velocità di evoluzione tecnologica e di miglioramento dei processi di manifattura additiva è attualmente subordinata ad una approfondita conoscenza delle modificazioni microstrutturali a carico del materiale. Lo studio e l’ottimizzazione delle caratteristiche microstrutturali permettono di migliorare il comportamento meccanico dei materiali, al fine di esaltare l’enorme potenziale di crescita di tale tecnologia e superarne i limiti, adottando strategie e soluzioni innovative.
A tale riguardo vale la pena sottolineare come, molto spesso, l’ottimizzazione delle prestazioni dei componenti AM richiede la messa a punto di specifiche operazioni post-produzione relative a pulizia, finitura superficiale o trattamento termico, in relazione all’applicazione o al grado di ottimizzazione post-formatura richiesto. Se da un lato vi sono indiscussi vantaggi associati alla tecnologia AM, quali la possibilità di realizzare geometrie altrimenti non riproducibili, estrema riduzione degli scarti di produzione, riduzione dei costi energetici e dei costi di assemblaggio, dall’altro occorre citare alcuni svantaggi ancora presenti quali l’elevato costo dei macchinari e alcune limitazioni tecnologiche legate al fatto che la tecnica è relativamente giovane. Lo studio approfondito dei legami presenti tra processo, microstruttura, proprietà e performance ottenibili dal processo di AM è pertanto strategica per il perfezionamento di tale tecnica produttiva.
Nel presente lavoro, frutto di una collaborazione tra i gruppi di Metallurgia del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale dell’Università degli Studi di Brescia e del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Ferrara, viene descritto lo studio condotto su di una lega di alluminio AlSi10Mg ottenuta mediante manifattura additiva laser a letto di polvere. Nell’ambito delle leghe Al-Si, la lega AlSi10Mg è infatti frequentemente utilizzata per la produzione di componenti ingegneristici grazie alle buone proprietà meccaniche associate ad una limitata espansione termica e ad un ottimo comportamento a corrosione. L’analisi è stata focalizzata sulle proprietà ad impatto in relazione alle caratteristiche microstrutturali del materiale, considerando in particolar modo l’influenza di trattamenti termici post-fabbricazione. È stato valutato se l’elevata anisotropia dei componenti prodotti mediante AM con tale lega potesse infatti essere compensata attraverso l’esecuzione di un trattamento termico T6 (solubilizzazione, tempra e invecchiamento) secondo i tradizionali parametri utilizzati per un componente ottenuto mediante casting tradizionale. A titolo di confronto, sono riportati i risultati per campioni in lega AlSi10Mg realizzati anche mediante tecnologia tradizionale di colata in gravità in conchiglia, nelle medesime condizioni di stato di trattamento.

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AM vs casting tradizionale

AM e colata tradizionale si distinguono, tra i vari aspetti, in primis per la diversa velocità di solidificazione. Infatti, i processi additivi si contraddistinguono proprio per l’elevata velocità di raffreddamento del materiale fuso, stimata nell’ordine dei 105106 K/s. Questo porta alla formazione di una microstruttura estremamente fine. Questa differenza è evidente dal confronto delle micrografie di Figura 1 e 2. In Figura 1, sono visibili le cosiddette “pozze di liquido” associate alla fusione e solidificazione di porzioni successive di materiale a seguito della progressiva azione del laser. Per distinguere le diverse fasi presenti nel materiale è necessario eseguire analisi a ingrandimenti superiori. Solo in questo modo, è possibile individuare, nel materiale AM, la struttura cellulare della fase α-Al, circondata da un network estremamente fine di particelle di Si interconnesse tra loro. Per quanto riguarda invece il campione prodotto con tecnologia tradizionale (Figura 2), si riconosce una microstruttura dendritica, dove la matrice di alluminio è circondata dalla fase eutettica.

 

Come noto, i componenti in lega di Al prodotti tramite tecnologia di colata tradizionale possono presentare una serie di difetti legati al processo stesso. Per esempio, la formazione di porosità di diversa natura (inglobamento di gas o ritiro) rappresenta una seria criticità, che può essere ridotta mediante un’opportuna progettazione del getto e dei parametri di processo, ma difficilmente può essere completamente evitata. Inoltre, come in tutti i processi che coinvolgono la solidificazione di leghe metalliche, anche il processo AM non è esente da difetti. Infatti, anche in questo caso è molto frequente incorrere nella presenza di porosità dovute all’inglobamento di idrogeno. Nonostante il processo AM a letto di polvere venga eseguito in atmosfera inerte, questo non è sufficiente per evitare, per esempio, la contaminazione dovuta a presenza di gas nelle polveri o alla formazione di gas a seguito della vaporizzazione di ossidi presenti nelle polveri stesse. In Figura è riportata una rappresentazione schematica del meccanismo di generazione delle porosità a seguito della fusione della polvere mediante fascio laser e successiva solidificazione delle pozze di liquido.

Trattamenti termici dei componenti ottenuti mediante AM

Quali trattamenti termici eseguire su di componente realizzato mediante manifattura additiva laser a letto di polvere in lega AlSi10Mg? Data la relativa novità di questi processi, non è stata ancora definita una procedura standard, anche se sono emerse diverse criticità nell’applicare i parametri di trattamento termico convenzionalmente usati per la stessa lega da fonderia allo scopo di incrementare le proprietà meccaniche rispetto alla condizione as-produced. Tuttavia, le condizioni di solidificazione tipiche di un processo AM laser a letto di polvere sono tali da generare spesso tensioni residue tali da rendere necessario un trattamento termico di distensione. Inoltre, come visto precedentemente, la microstruttura di questo materiale è caratterizzata da una certa anisotropia dovuta proprio alla peculiarità della tecnologia stessa. A questo proposito, un opportuno trattamento termico potrebbe essere funzionale oltre che a ridurre le tensioni interne anche ad ottenere caratteristiche meccaniche migliorate e a ridotta anisotropia rispetto alla direzione di costruzione. Per tali ragioni, nel presente studio è stato indagato il comportamento ad impatto della lega AlSi10Mg mediante esecuzione di prove di resilienza strumentata condotte su provini realizzati mediante tecnologia additiva laser a letto di polvere e in diversi stati di trattamento. Per confronto sono state valutate le caratteristiche di resistenza all’impatto di provini della stessa geometria, ricavati da getti prodotti per colata in gravità in conchiglia e sottoposti alle medesime condizioni di trattamento termico.

Caso di studio: comportamento ad impatto della lega AlSi10Mg

I campioni oggetto del presente studio, ottenuti mediante tecnologia Direct Metal Laser Sintering (DMLS), sono stati processati attraverso la macchina EOS M290 (laser in fibra da 400 W, 30 A e 400 V di potenza, 7000 hPa e 20 m3/h di gas inerte) e realizzati con direzione di crescita parallela alla piastra di costruzione. I campioni di confronto, realizzati mediante tecnologia tradizionale di colata per gravità in conchiglia, sono stati ricavati invece a partire da un componente reale. La composizione chimica dei campioni, valutata mediante spettrometria ad emissione ottica (OES), è riportata in Tabella I.
I campioni sono stati testati sia nella condizione as-produced sia dopo due diverse condizioni di trattamento termico T6, i cui parametri sono riportati in Tabella II. In particolare, sono stati testati n° 3 campioni per ciascuna condizione considerata.
Al termine del trattamento termico, i campioni sono stati lavorati per l’ottenimento di provini Charpy con intaglio ad U in accordo con la normativa ASTM E23 (10 mm x 10 mm x 55 mm). Le prove di resilienza, realizzate a temperatura ambiente, hanno previsto l’impiego del pendolo strumentato CEAST- INSTRON Resil Impactor da 50 J dotato del software CEAST Visual IMPACT per il controllo, l’acquisizione e l’elaborazione dati. Grazie all’impiego del pendolo strumentato, per ciascun provino al termine della prova di impatto è stato possibile analizzare i contributi relativi ad energia di innesco (calcolata come area sottesa alla curva forza-spostamento dall’istante zero sino al picco di forza) e di propagazione (calcolata come area sottesa alla curva dal picco di forza sino al 2% del suo valore) della cricca.
La caratterizzazione microstrutturale delle superfici di frattura dei campioni è stata condotta mediante microscopio elettronico a scansione Zeiss EVO MA 15.

Nelle figure a fianco vengono riportate le curve di resilienza e la corrispondente microstruttura rispettivamente per le leghe processate mediante AM e mediante colata in gravità, allo stato as-produced e nelle due condizioni di trattamento termico indagate.

 

La lega AM nella condizione as-produced presenta le tipiche pozze di fusione con microstruttura interna di tipo cellulare e contornata da un fine reticolo di Si eutettico. Gli elevati valori di forza raggiunti nella corrispondente curva di resilienza suggeriscono una notevole resistenza del materiale, accompagnata inoltre da una circa equa ripartizione dell’energia assorbita nelle fasi di innesco e di propagazione. L’esecuzione del trattamento con durata della solubilizzazione di 1 h porta ad una sensibile alterazione della microstruttura, con rottura del reticolo di Si e formazione di sferoidi dispersi nella matrice di α-Al. Nonostante ciò la resistenza del materiale non viene alterata, mentre cambia la morfologia della curva di resilienza. In particolare, si osserva la quasi totale assenza di energia assorbita nella propagazione della frattura. Estendendo la durata del trattamento termico di solubilizzazione a 9 h, oltre alle precedentemente descritte modifiche microstrutturali, si assiste anche ad un notevole aumento del volume di porosità del materiale, dovute all’espansione del gas contenuto nei pori. A differenza del caso precedente, oltre alla pressoché scomparsa dell’energia di propagazione si assiste ora anche ad una perdita di resistenza del materiale, con drastico calo dell’energia complessivamente assorbita.

Come mostrato in Figura 5, la lega prodotta per colata in gravità esibisce, allo stato as-produced, una microstruttura dendritica con lamelle di Si eutettico nelle zone interdendritiche. La corrispondente curva di resilienza mostra il raggiungimento di bassi valori di forza, suggerendo una scarsa resistenza meccanica, ma nuovamente con una uguale ripartizione delle energie di innesco e di propagazione.
Il trattamento termico con 1 h di solubilizzazione non sembra alterare in modo significativo la microstruttura iniziale, mentre modifica sostanzialmente la curva di resilienza. Il materiale mostra infatti una resistenza maggiore, ma anche una minore quantità di energia assorbita, soprattutto in fase di propagazione della frattura. Rispetto al caso precedente, l’aumento di durata del trattamento a 9 h favorisce la modifica della morfologia del Si da lamellare a tendenzialmente sferoidale. Contestualmente la morfologia della curva di resilienza suggerisce un ulteriore incremento della resistenza e un parziale recupero della quantità di energia assorbita.
In Figura 6 è riportato il confronto dei parametri ricavati dalle curve di resilienza dei campioni AM e GC, nelle varie condizioni indagate. In particolare sono posti a confronto i valori ottenuti relativamente a forza di picco, energia di innesco ed energia di propagazione della cricca.

Si evidenzia come il materiale allo stato as-produced abbia un comportamento molto differente nei due casi, risultando assai resistente e discretamente tenace nel caso di lega processata per manifattura additiva, ed esibendo invece scarse resistenza e tenacità nel caso di getto da fonderia. Le superiori proprietà riscontrate nel primo caso sono da attribuire alla peculiare microstruttura che deriva dal processo di manifattura additiva, estremamente fine e rinforzata dalla condizione di soluzione solida sovrassatura in cui si viene a trovare in virtù del rapido raffreddamento che sperimenta in fase produttiva.
Anche la risposta al trattamento termico è differente per le leghe prodotte con tecnologie differenti. Il trattamento termico con durata della solubilizzazione di 1 h non compromette la resistenza della lega prodotta per manifattura additiva, ma ne riduce l’energia assorbita specialmente in fase di propagazione, probabilmente a causa della precipitazione di composti intermetallici indurenti su scala nanometrica a seguito dell’invecchiamento artificiale. Allo stesso fenomeno è imputabile la perdita di tenacità e l’aumento di resistenza della lega prodotta per colata in gravità.
Il trattamento termico con durata della solubilizzazione di 9 h mostra un effetto decisamente differente nei due casi indagati. In particolare, esso compromette pesantemente le prestazioni della lega prodotta per additive manufacturing, che perde contemporaneamente resistenza e tenacità a causa sia della distruzione della microstruttura fine iniziale sia dell’ingrossamento delle porosità da gas. Al contrario, esso risulta benefico per la lega da fonderia, la quale esibisce un ulteriore aumento della resistenza, per precipitazione di composti indurenti, ed un parziale aumento della energia assorbita, per sferoidizzazione del Si, rispetto al caso precedente.
Vale la pena osservare come l’esecuzione del trattamento termico porti progressivamente le leghe prodotte con i due differenti processi a prestazioni del tutto comparabili, sia come resistenza sia come tenacità. In particolare, con le condizioni di trattamento prossime a quelle tipiche per un getto colata per gravità in conchiglia, si vengono praticamente ad annullare le differenze che caratterizzano i campioni nella condizione as-produced. Il calo prestazionale della lega prodotta tramite additive manufacturing pone l’attenzione sulla scarsa efficacia dell’applicazione di un trattamento termico convenzionalmente utilizzato sui getti di fonderia anche nel caso di materiali prodotti attraverso un processo così differente quale la manifattura additiva.
Ad integrazione dei risultati ottenuti dalle prove di resistenza ad impatto sono state eseguite indagini frattografiche sulle superfici di frattura di alcuni campioni di resilienza. Di seguito viene riportato il confronto per le due condizioni di trattamento che hanno fornito i risultati di resistenza ad impatto tra loro più differenti, ossia la condizione as-produced e dopo trattamento termico con solubilizzazione di 9 h.
In assenza di trattamento termico, i campioni AM hanno evidenziato una superficie di frattura relativamente regolare, sulla quale è possibile riconoscere il profilo della sezione trasversale delle pozze di fusione interessate dalla frattura.

È stato possibile individuare anche alcune cavità riconducibili a porosità gassose. Al contrario, l’aspetto della superficie di frattura dei campioni GC presenta una morfologia più irregolare, in cui risulta prevalente un meccanismo di frattura duttile interdendritico ed una propagazione della frattura che è in parte guidata anche da porosità di notevoli dimensioni. La presenza di una microstruttura molto più grossolana e di numerosi difetti di dimensione rilevante giustificano le minori prestazioni, sia resistenziali che di tenacità, della lega prodotta tramite processo di fonderia rispetto a quella prodotta per additive manufacturing, caratterizzata al contrario da una microstruttura decisamente più fine e con minore difettosità.

Come già precedentemente evidenziato, l’esecuzione del trattamento termico tende ad uniformare le prestazioni delle due diverse leghe. Ciò è riscontrabile anche dalle superfici di frattura che mostrano un aspetto simile.

In entrambi i casi si evidenzia la presenza di dimples sulla superficie, ad indicare una rottura avvenuta prevalentemente per formazione di micro-vuoti in corrispondenza delle particelle di Si, disgregate e sferoidizzate per effetto del trattamento termico. Inoltre l’ingrossamento delle porosità da gas presenti nella lega prodotta per manifattura additiva, operato dal trattamento termico, le porta a costituire un percorso preferenziale per la frattura, rendendole deleterie in modo paragonabile alle porosità da ritiro presenti nella lega da fonderia.

Conclusioni

Lo studio ha riguardato il confronto delle proprietà ad impatto della lega AlSi10Mg, in differenti condizioni di trattamento, e prodotta con due distinti processi tecnologici: per manifattura additiva e per fonderia tramite colata in gravità. Le prove ad impatto sono state effettuate su campioni Charpy ed è stato evidenziato come, quando il materiale si trova allo stato as-produced, le prestazioni della lega prodotta mediante additive manufacturing siano migliori, in termini sia di resistenza sia di tenacità, rispetto a quelle della lega prodotta per colata in gravità in conchiglia. La motivazione è da ricercarsi nella peculiare microstruttura che caratterizza la prima lega, molto più fine e resistente e con ridotta difettologia rispetto alla seconda. Il trattamento termico, eseguito secondo il tradizionale schema di solubilizzazione ed invecchiamento artificiale, ha consentito di incrementare la resistenza della lega da fonderia senza compromettere in modo apprezzabile la quantità di energia assorbita. Al contrario il trattamento ha ridotto pesantemente le prestazioni della lega per additive manufacturing, a causa delle sostanziali modifiche microstrutturali che esso induce. Ciò evidenzia come i trattamenti termici convenzionalmente utilizzati per le leghe da fonderia non risultino appropriati per la medesima lega prodotta mediante additive manufacturing. Risulta dunque necessaria la definizione di una nuova classe di trattamenti termici dedicati e specificatamente progettati in relazione alla peculiare microstruttura che deriva dalle condizioni uniche di processo della manifattura additiva.

Ringraziamenti: si ringrazia la ditta Quintus Technologies AB (Svezia) per l’esecuzione dei trattamenti di HIP

Autori:

M. Giovagnoli, A. Fortini, M. Merlin, G.L. Garagnani – Dipartimento di Ingegneria (DE), Università degli Studi di Ferrara

M. Tocci – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli Studi di Brescia

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