La resistenza a fatica degli ingranaggi da additive manufacturing

Le tecnologie per la stampa 3D sono state introdotte sul mercato verso la fine degli anni ’80 e da allora si sono evolute fino a dimostrare di essere una soluzione idonea non soltanto per la costruzione di prototipi, ma anche di componenti metallici dotati di proprietà strutturali, come gli ingranaggi.

Ingranaggi e stampa 3D: qualche prima indicazione dal Politecnico di Milano

L’additive manufacturing (AM) può essere vantaggioso rispetto alle tecnologie tradizionali nella produzione di piccoli lotti ed è sicuramente questo uno dei motivi per cui ha attratto l’attenzione dei progettisti. Un’altra notevole potenzialità dell’AM è legata alla possibilità di ottenere componenti con geometrie che non sono realizzabili con i processi tradizionali: è il caso dei componenti con cavità interne o con strutture reticolari (le cosiddette strutture “lattice”), che possono essere sfruttati per ottenere soluzioni lightweight o anche per ottimizzare alcune proprietà meccaniche, come ad esempio quelle legate al comportamento dinamico e vibrazionale, attuando il cosiddetto “tuning”.

Naturalmente non mancano proposte anche nel campo degli ingranaggi e svariati autori e aziende hanno proposto riduttori con le casse o anche con le stesse ruote dentate ottenute da stampa 3D.

Le proprietà statiche e a fatica dei materiali metallici utilizzati per l’AM sono state ampiamente studiate e l’evidenza dimostra che non sono ancora confrontabili con quelle dei materiali attualmente utilizzati per la costruzione delle dentature da utilizzare nelle trasmissioni in applicazioni che richiedano elevate densità di potenza. Ciò tuttavia non significa che le ruote dentate ottenute per AM non siano di interesse per tale contesto, essendo comunque possibile l’utilizzo di soluzioni composite, nelle quali il corpo ruota stampato 3D garantisca i requisiti di leggerezza o le possibilità di tuning, lasciando invece ad una corona dentata ottenuta con materiali e tecnologie tradizionali il compito di resistere ai carichi derivanti dall’ingranamento e di soddisfare gli strettissimi requisiti delle tolleranze geometriche e dimensionali. E in ogni caso è necessario conoscere i limiti effettivi delle prestazioni ottenibili con soluzioni nelle quali anche la dentatura sia ottenuta per stampa 3D. Come è noto, ciò richiede la caratterizzazione dei materiali mediante prove specifiche per gli ingranaggi, cioè eseguite su dentature, quali ad esempio le prove con ingranamento su banchi tipo FZG per la resistenza a pitting o quelle a dente singolo STBF (Single Tooth Bending Fatigue) per la resistenza a flessione. L’esperienza ha infatti dimostrato che l’estrapolazione dei limiti a pitting e a flessione da prove standard fornisce una stima poco più che grossolana delle reali prestazioni.

Tuttavia, a causa della novità dell’applicazione della stampa 3D alle ruote dentate, né in letteratura, né nelle norme di calcolo degli ingranaggi è oggi possibile reperire questi dati, ed è questa la motivazione dei test condotti presso i laboratori del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, aventi per oggetto la caratterizzazione a fatica a flessione mediante prove STBF su ingranaggi di un materiale metallico tipico per la stampa 3D, segnatamente l’acciaio 17-4 PH. Si tratta per ora di prove preliminari, basate su un numero di punti sperimentali ancora limitato, che però consentono di avere una prima valutazione realistica delle prestazioni a fatica flessionale di ingranaggi prodotti per AM.

 

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