I ricercatori della Hiroshima University hanno testato un metodo per la produzione di carburo cementato WC-Co che usa la produzione additiva. Il loro approccio potrebbe ridurre gli sprechi e i costi di produzione, preservando al contempo la resistenza e la durezza che rendono il materiale così utile.
I ricercatori della Hiroshima University hanno testato un metodo per produrre carburo cementato WC-Co che usa la stampa 3D. Il loro approccio potrebbe ridurre gli sprechi e i costi di produzione, preservando al contempo la resistenza e la durezza che rendono il materiale così utile.
Il carburo di tungsteno-cobalto (WC-Co) è apprezzato per la sua capacità di resistere a usura intensa, pressione e utilizzo ripetuto. Questa eccezionale durezza lo rende ideale per l’industria, tra cui utensili da taglio, punte da trapano, macchine utensili e utensili per l’edilizia, ma rappresenta anche una grande sfida produttiva. Il materiale è difficile da modellare, costoso da produrre e spesso richiede una quantità di materia prima superiore a quella effettivamente utilizzata nel componente finito.
Il materiale combina il carburo di tungsteno, che conferisce durezza, con il cobalto, che funge da legante metallico tenendo insieme le particelle di carburo. Attualmente questi materiali vengono prodotti principalmente tramite metallurgia delle polveri. Il metodo produce componenti estremamente resistenti, ma presenta degli svantaggi. Il tungsteno e il cobalto sono materie prime costose e la produzione convenzionale può utilizzare una grande quantità di materiale a fronte di una resa relativamente limitata. Ciò rende particolarmente importante la riduzione degli sprechi.
I ricercatori della Hiroshima University hanno studiato la possibilità che la stampa 3D potesse fornire un’alternativa più efficiente. A differenza dei metodi convenzionali che modellano un componente asportando materiale o riempiendo uno stampo, la produzione additiva costruisce un oggetto depositando il materiale solo dove necessario.
Laser e filo riscaldato per la creazione del carburo
Il team della Hiroshima University ha utilizzato l‘irradiazione laser a filo caldo (chiamata anche saldatura laser a filo caldo), un processo che combina un raggio laser con un filo di riempimento preriscaldato. Il riscaldamento del filo prima che raggiunga la superficie di lavoro consente di aggiungere materiale più rapidamente ed efficientemente. Ciò può aumentare la velocità di deposizione (la quantità di metallo di riempimento aggiunto) riducendo al contempo la quantità di energia necessaria dal laser.
I ricercatori della Hiroshima University hanno testato due configurazioni di produzione. Nella prima, il laser era diretto sulla parte superiore di una barra di carburo cementato, con la barra posizionata davanti alla direzione di deposizione del materiale. Nella seconda, il laser guidava il processo e irradiava l’area tra la parte inferiore della barra di carburo cementato e il materiale di base (ferro). Invece di fondere completamente i metalli, entrambi i metodi li ammorbidivano a sufficienza per formare e depositare il carburo cementato. Questa distinzione è importante perché la fusione completa del carburo di tungsteno può alterarne la struttura interna e ridurne le proprietà che lo rendono prezioso: “I carburi cementati sono materiali estremamente duri utilizzati per il taglio di utensili e applicazioni simili, ma sono realizzati con materie prime molto costose come tungsteno e cobalto, che rende la riduzione del consumo di materiale altamente auspicabile. Grazie alla produzione additiva, il carburo cementato può essere depositato solo dove necessario, riducendo così il consumo di materiale” spiega l’autore corrispondente Keita Marumoto, professore assistente presso la Facoltà di Scienze e Ingegneria Avanzate dell’Università di Hiroshima.
Gli esperimenti della Hiroshima University hanno dimostrato che questo approccio può preservare la durezza e l’integrità meccanica associate al carburo cementato WC-Co prodotto convenzionalmente. Il materiale ha una durezza superiore a 1400 HV (un’unità che rappresenta la resistenza alla penetrazione), senza causare difetti o decomposizione. La misurazione HV si riferisce alla durezza Vickers, un test che valuta la forza con cui un materiale resiste all’indentazione da parte di una punta dura. Un valore superiore a 1400 HV colloca il carburo risultante tra i materiali più resistenti comunemente utilizzati nell’industria, al di sotto di sostanze superdure come lo zaffiro e il diamante.
I risultati della Hiroshima University suggeriscono che la produzione additiva può realizzare stampi di carburo cementato senza difetti significativi e forniscono le basi per ulteriori sviluppi, ma rimangono diverse sfide. I ricercatori intendono ridurre le cricche, migliorare la durabilità e determinare come produrre forme più complesse: “L’approccio di formare materiali metallici ammorbidendoli anziché fondendoli completamente è innovativo e ha il potenziale per essere applicato non solo ai carburi cementati, oggetto di questo studio, ma anche ad altri materiali” prosegue Marumoto.
Il lavoro futuro della Hiroshima University si concentrerà sulla produzione di utensili da taglio pratici, sulla sperimentazione del processo con altri materiali e sulla ricerca di modi per rendere i componenti finiti ancora più durevoli. Se la tecnica potesse essere perfezionata per la produzione su larga scala, potrebbe consentire ai produttori di posizionare il costoso carburo solo dove necessario, rendendo gli utensili avanzati meno dispendiosi e più economici, preservando al contempo l’estrema durezza richiesta per l’uso industriale.
Foto: Courtesy di Keita Marumoto/Hiroshima University
