Il diamante e la stampa 3D

Il diamante, il materiale più duro che esista in natura. Ma è possibile modellarlo?

Ma la sua durezza, per molti versi un pregio, è anche ciò che lo rende difficile da lavorare e impossibile da modellare in geometrie complesse.

Allora, la domanda è: come si fa a modellare il materiale più duro che ci sia in natura?
Una risposta arriva dalla fiera Rapid + TCT di Detroit, il più importante evento del Nord America per la produzione additiva, che si è tenuta alla fine dello scorso maggio: Sandvik Additive Manufacturing ha presentato il suo nuovo diamante, realizzato usando la stampa 3D. Partendo da un impasto di polvere di diamante e polimeri, il composto (o composito) di diamante combina il materiale più duro in natura con uno dei processi più innovativi dell’industria moderna.

Questo diamante non è per gioielleria, non è adatto ad un anello, ma è perfetto per una vasta gamma di applicazioni-prodotti industriali. Il diamante è già usato in tante apparecchiature resistenti all’usura e adesso potrà sfruttare le potenzialità della stampa 3D per fabbricare pezzi complessi e resistenti, per esempio per trapani e seghe industriali. Anche le attrezzature mediche potranno trarre vantaggio da questa innovazione, che è pensata e progettata per essere biocompatibile e durevole.

Non per gioielli

Dunque, Sandvik Additive Manufacturing ha sviluppato il primo composito diamantato, sfruttando le potenzialità della stampa 3D: per quanto non si tratti di un diamante che brilla, è perfetto per un’ampia gamma di usi industriali. Infatti, grazie al processo messo a punto, questo materiale super duro può assumere forme molto complesse e può quindi rivoluzionare il modo in cui l’industria utilizza il materiale naturale più duro del pianeta.

La caratteristica principale del diamante è la durezza, tanto che è definito come il più duro di qualsiasi altra cosa in natura: è un componente chiave in una vasta gamma di utensili resistenti all’usura nell’industria, dall’estrazione e foratura alla lavorazione meccanica, ma anche per gli impianti medicali. Dal 1953 è stato possibile produrre diamante sintetico, ma, proprio perché è così duro, risulta complicato da lavorare ed è quasi impossibile la generazione di forme complesse.

Considerando lo stato dell’arte, finora la produzione di materiali diamantati super duri ha permesso di realizzare solo configurazioni geometriche semplici ma, utilizzando la tecnologia additiva e un metodo di post-lavorazione proprietario e specifico, tailor-made, Sandvik è riuscita a stampare in 3D compositi diamantati che possano assumere pressoché tutte le forme.

La differenza tra il diamante Sandvik e il diamante naturale o sintetico è che il Sandvik è a tutti gli effetti un materiale composito, dove la maggior parte del materiale è diamante. Per renderlo stampabile e denso si è reso necessario cementarlo in una matrice molto dura, mantenendo così le più importanti proprietà fisiche del diamante puro.

Un mondo di opportunità

Sfruttando le opportunità offerte dall’additive manufacturing, Sandvik sta rendendo disponibili componenti diamantati pronti per la applicazione per cui sono stati ideati, con forme complesse e senza la necessità di ulteriori lavorazioni. Si tratta quindi di una nuova pietra miliare che aprirà la possibilità di utilizzo del diamante Sandvik in applicazioni fino a ieri considerate impossibili.

«Storicamente, la stampa 3D in diamante era qualcosa che nessuno di noi immaginava fosse realizzabili – ha spiegato Anders Ohlsson, Delivery Manager di Sandvik Additive Manufacturing. Anche ora stiamo iniziando a meglio individuare le possibilità e le applicazioni che questa svolta tecnologica potrebbe dare. Vedendone il potenziale, abbiamo iniziato a chiederci che altro sarebbe stato possibile ottenere dalla stampa 3D di forme complesse in un materiale tre volte più rigido dell’acciaio, con una conducibilità termica superiore al rame, la dilatazione termica vicino all’Invar e con una densità prossima a quella dell’alluminio. Questi vantaggi ci fanno credere che tra pochi anni si potrà vedere questo composito diamantato in nuove applicazioni industriali avanzate, che spaziano dalle parti soggette ad usura ai programmi spaziali»

Considerando il processo, guardando al futuro

«Il processo di produzione additiva utilizzato è molto avanzato – ha spiegato Mikael Schuisky, responsabile R&D e Operations di Sandvik Additive Manufacturing –. Stiamo stampando in uno slurry costituito da polvere di diamante e polimero, con il metodo della stereolitografia, producendo parti complesse, strato dopo strato, utilizzando la luce ultravioletta».

Il passo successivo alla stampa 3D è tuttavia ancora più impegnativo, ed è qui che Sandvik ha sviluppato un metodo di post-lavorazione proprietario e tailor-made, che consente di ottenere esattamente le proprietà del composito diamantato superduro.
«Questo passo è stato estremamente complicato e ha richiesto un grande impegno da parte della ricerca e sviluppo – ha continuato Schuisky –. Tuttavia, dopo lunghi sforzi e diverse prove, siamo riusciti ad avere pieno controllo del processo e abbiamo così realizzato il primo composito diamantato stampato in 3D. È stato incredibile vedere cosa si può ottenere combinando la profonda esperienza di Sandvik nella scienza dei materiali con la volontà e le nostre forti capacità nella produzione additiva e nella post-lavorazione. Abbiamo alcuni dei maggiori esperti mondiali sia nei materiali che nella produzione additiva, il che, in un caso come questo, può portare giovamento a molte industrie di tutto il mondo, rendendo possibile l’utilizzo del diamante in applicazioni e forme mai concepite prima».

Secondo Annika Borgenstam, professoressa presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, «piuttosto che cercare di sviluppare materiali completamente nuovi, oggi la grande spinta all’interno dell’industria dovrebbe comportare la rivisitazione, la ristrutturazione, anche radicale dei materiali esistenti. L’utilizzo di nuovi processi rivoluzionari, come la produzione additiva, aprirà modi completamente nuovi di utilizzare gli stessi materiali che abbiamo oggi, riuscendo a costruire le proprietà di cui abbiamo bisogno».

«Il composito di diamanti stampati in 3D di Sandvik è una vera innovazione: da oggi possiamo iniziare a pensare e a utilizzare il diamante in applicazioni e forme assolutamente nuove, allargando i confini della tecnologia meccanica – ha spiegato Susanne Norgren, professoressa aggiunta di Scienza dei Materiali Applicata all’Università di Uppsala. Immaginate cosa potrebbe cambiare nelle industrie dal momento che ora è possibile stampare qualsiasi cosa, in qualsiasi forma, utilizzando un materiale come il diamante».

Il valore della sostenibilità… con proprietà superiori

Un ulteriore vantaggio dell’additive manufacturing è che consente di ridurre al minimo gli sprechi di materiale, rendendo la tecnologia più sostenibile. La polvere di diamante, nel processo di Sandvik, può essere estratta dal polimero contenuto nell’impasto dopo la stampa, per poi essere riciclata e riutilizzata in un altro job di stampa.

Il composito diamantato è stato testato e ha dimostrato di avere una durezza estremamente elevata, un’eccezionale conducibilità termica, una bassa densità, un’ottima dilatazione termica e una fantastica resistenza alla corrosione. «Ora abbiamo la capacità di realizzare compositi diamantati forti, con forme molto complesse, grazie alla produzione additiva, e questo cambierà radicalmente l’utilizzo industriale del diamante, aprendo la porta a scenari ancora tutti da scoprire – ha sottolineato Schuisky –. Al momento, l’unico limite riguardo all’utilizzo ed al modo di essere modellato di questo materiale super duro sembra solo essere l’immaginazione del progettista».

di Daniela Tommasi

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