Nuovi approcci per i ceramici avanzati

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Tra le tecnologie di lavorazione oggigiorno maggiormente utilizzate nell’ambito dei materiali ingegneristicamente avanzati è possibile annoverare l’elettroerosione (EDM – Electro-Discharge Machining). Ma se le ceramiche avanzate conduttive possono essere lavorate agevolmente, sono i ceramici non conduttivi a rappresentare una sfida considerevole per l’applicazione di questo processo.

Negli ultimi anni si è potuto assistere a un notevole sviluppo di materiali ingegneristicamente avanzati e, di conseguenza, di tecnologie di lavorazione a essi più congeniali.

La definizione più ampia di materiali avanzati fa riferimento a tutti quei materiali che rappresentano un’evoluzione rispetto a quelli tradizionali. È possibile, quindi, definire come avanzati quei materiali innovativi che possiedono proprietà, siano esse meccaniche, termiche, magnetiche, chimiche, ottiche o elettriche, notevolmente superiori rispetto ai materiali tradizionali, o che presentano elevati livelli prestazionali derivanti da uno stretto controllo microstrutturale.

È possibile inserire all’interno di questa categoria un’ampia gamma di materiali, anche molto differenti tra loro, tra cui:
• materiali metallici micro-nanostrutturati, acciai altoresistenziali, leghe di alluminio, nichel, magnesio e titanio;
• materiali compositi a matrice metallica, ceramica e polimerica con fibre di rinforzo;
• materiali ceramici, tra i quali spiccano i ceramici refrattari alle alte temperature (UHTC – Ultra High Temperature Ceramics), quali ad esempio ZrB2, ZrC, TiC.

I principali settori che vedono un utilizzo massivo di questa tipologia di materiali sono quello aerospaziale, biomedico e manifatturiero. Infatti, oltre all’ampio utilizzo di questi ceramici nella produzione di stampi, gli utensili da taglio ad alta velocità in nitruro di silicio rappresentano oggi quasi un terzo del numero totale di utensili da taglio in ceramica, grazie alla loro ottima resistenza all’usura e alla loro velocità di taglio, che tipicamente supera da tre a dieci volte quella di un metallo duro.

Nel campo aerospaziale, i cuscinetti ceramici in UHTC hanno mostrato prestazioni eccellenti alle alte velocità, mentre in campo biomedico, queste tipologie di materiali possono essere utilizzate per realizzare impianti e protesi dentali, clip ossee e scaffold per l’ingegneria dei tessuti.

Le particolari proprietà di questi materiali innovativi richiedono modalità di progettazione e tecnologie di lavorazione che tengano in considerazione le peculiarità dei singoli processi, dei materiali impiegati e della destinazione d’uso dei prodotti finiti. I metodi di lavorazione tradizionali, infatti, oltre a causare una severa usura degli utensili utilizzati, rischiano di danneggiare la superficie dei materiali ceramici avanzati, provocando cricche e punti di concentrazione degli sforzi, che influirebbero negativamente sulla resistenza meccanica dei componenti. Per tutti questi motivi, il processo di lavorazione tradizionale non risulta essere adatto per i ceramici avanzati.

I vantaggi dell’EDM

L’elettroerosione (EDM – Electro-Discharge Machining) è un processo ben noto per la lavorazione di precisione di materiali difficili da tagliare con tecniche tradizionali ed è piuttosto utile per la riproduzione di strutture complesse in 2D e 3D come fori profondi, scanalature o sottosquadri in materiali altamente resistenti all’usura.

L’EDM è un processo principalmente termico, in quanto il materiale viene asportato sfruttando i fenomeni di fusione e di evaporazione e senza mai richiedere il contatto diretto tra utensile e pezzo. Si tratta di una tecnica di sagomatura in cui una serie di scariche elettriche si innescano tra l’elettrodo-utensile e l’elettrodo-pezzo in lavorazione, che tipicamente si trovano immersi in un fluido dielettrico, provocando l’erosione di quest’ultimo.

Per poter procedere con la lavorazione, l’elettrodo-utensile deve avvicinarsi all’elettrodo-pezzo, fino a che, con l’aumentare della tensione, si viene a formare un campo elettrico nella posizione di minore resistenza. A questo punto, ci si ritrova di fronte a un ponte di particelle a carica negativa che porta il fluido dielettrico a interrompere la sua funzione di isolante, permettendo il passaggio di corrente. A mano a mano che il processo avanza, la corrente aumenta e la tensione diminuisce, generando un canale di vapore che dà il via al vero e proprio processo di ablazione del materiale, che avviene in un range di temperatura che va dai 4000 ai 10000 °C, con una pressione del vapore che può raggiungere i 20 MPa. Quando la scarica elettrica e il calore arrivano alla loro massima intensità, la bolla di vapore si espande e il circuito elettrico che si era generato si apre, facendo crollare la corrente e, quindi, cessando la generazione di calore. Il canale di vapore scompare e il metallo vaporizzato si solidifica rapidamente nel dielettrico sotto forma di microsfere cave, mentre il metallo fuso si solidifica in microsfere piene. Queste particelle solidificate vengono proiettate verso l’esterno del cratere eroso grazie all’azione dinamica generata dall’implosione della bolla di vapore, dopo la quale il circuito viene nuovamente chiuso per dare ini- zio all’impulso successivo.

A causa della natura del processo, la superficie ottenuta è un insieme di scariche singole e mostra una topologia a cratere. L’accuratezza geometrica e la rugosità superficiale dipendono fortemente dalle dimensioni e dalla forma di questi crateri e, pertanto, dal volume di materiale che viene rimosso ad ogni scarica. La minimizzazione dell’energia di scarica è allora la chiave per ottenere la precisione e le caratteristiche superficiali ottimali.

Il processo di EDM può essere declinato in due differenti forme: a tuffo e a filo. L’EDM a tuffo ha come scopo quello di far assumere al pezzo in lavorazione la forma complementare a quella dell’elettrodo-utensile e viene tipicamente impiegata nella produzione di stampi e matrici ricchi di particolari intricati. L’EDM a filo, invece, viene utilizzata per tagliare o profilare il pezzo in lavorazione.

Uno dei punti di maggiore forza dell’EDM sta nel fatto che alcune caratteristiche del metallo in lavorazione, quali per esempio la microstruttura, la durezza o il carico di rottura, sono totalmente ininfluenti sia sulla velocità di asportazione del materiale sia sulla qualità finale ottenibile. Di contro, una delle principali caratteristiche limitanti dell’EDM è la sua capacità di lavorare esclusivamente materiali che abbiano una certa conduttività.

I materiali ceramici avanzati sono principalmente divisi in conduttivi e non conduttivi. Il diboruro di titanio e di zirconio, il carburo di boro, i nitruri metallici e altri materiali ceramici simili sono naturalmente conduttivi, mentre i ceramici avanzati a base di carburo di silicio, allumina, nitruro di silicio e zirconia sono materiali non conduttivi e non soddisfano perciò il requisito fondamentale per l’utilizzo dell’EDM.

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