Gli scienziati del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un metodo che utilizza la produzione additiva per semplificare la produzione di componenti metallici di grandi dimensioni utilizzati in applicazioni aerospaziali, energetiche e mediche.
I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato un metodo che utilizza la produzione la produzione additiva per realizzare contenitori personalizzati per la pressatura isostatica a caldo metallurgica delle polveri (PM-HIP), semplificando la produzione di componenti metallici di grandi dimensioni utilizzati in applicazioni aerospaziali, energetiche e mediche. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Powder Technology.
Il processo Phase-High-Pressure Impurity (PM-HIP) consolida polveri metalliche in componenti completamente densi, come per esempio componenti di turbine, recipienti a pressione e altre grandi parti strutturali, utilizzando alte temperature e pressioni all’interno di un contenitore sigillato. Tradizionalmente, la produzione di questi contenitori richiede diverse fasi, tra cui formatura, lavorazione e saldatura del metallo, che possono introdurre difetti, aumentare i costi e limitare la flessibilità progettuale.
Il team dell’ORNL ha invece utilizzato la stampa 3D per fabbricare questi contenitori. Tale approccio consente di ottenere geometrie precise e complesse, adattate al componente finale, eliminando al contempo diverse fasi di produzione. Di conseguenza, i componenti possono essere prodotti in una forma più vicina a quella finale, riducendo al minimo gli sprechi di materiale e accorciando i tempi di produzione. Dopo la stampa, il contenitore viene riempito con polvere metallica, sigillato sottovuoto e lavorato in una pressa isostatica a caldo. Il calore e la pressione comprimono la polvere in un componente metallico solido con difetti interni minimi, producendo parti di grandi dimensioni e strutturalmente robuste. Fino ad ora, l’applicazione della manifattura additiva nella fabbricazione di contenitori per il processo HIP non era stata considerata. “Questo lavoro getta le basi per una trasformazione radicale nel panorama PM-HIP per componenti di grandi dimensioni. Sfruttando i punti di forza della produzione additiva e della pressatura isostatica a caldo, stiamo aprendo la strada a una maggiore libertà di progettazione e ad applicazioni ampliate nell’energia idroelettrica e nei reattori nucleari di nuova generazione” afferma il ricercatore dell’ORNL Pavan Ajjarapu.
I vantaggi del metodo PM-HIP
Il team dell’Oak Ridge National Laboratory ha utilizzato con successo la produzione additiva per fabbricare contenitori utilizzando diversi tipi di stampa 3D, inclusi metodi laser e a filo. Il contenitore viene quindi sottoposto al processo PM-HIP standard per produrre un componente metallico completamente denso. Questi componenti sono progettati per applicazioni impegnative nei sistemi energetici e aerospaziali, dove resistenza, affidabilità e prestazioni in condizioni estreme sono fondamentali.
La tecnologia PM-HIP consente inoltre l’utilizzo di leghe avanzate che possono essere progettate per una maggiore resistenza alla corrosione. I ricercatori possono controllare la struttura interna del materiale, adattando proprietà come la resistenza alle radiazioni e la stabilità alle alte temperature, essenziali per le applicazioni nucleari. “Questo approccio offre un’alternativa alla fusione e alla forgiatura. Potrebbe anche contribuire a rafforzare la produzione statunitense e la sicurezza nazionale, alleviando le carenze nella catena di approvvigionamento” afferma Soumya Nag dell’ORNL.
Un altro vantaggio chiave della tecnologia PM-HIP è la sua capacità di prevedere il ritiro e la deformazione durante la produzione di pezzi di grandi dimensioni quasi finiti. “Una comprensione più approfondita del funzionamento del processo PM-HIP può contribuire a eliminare le incertezze relative a queste previsioni” ha affermato Subrato Sarkar, ricercatore dell’ORNL che sta sviluppando modelli personalizzati per prevedere come i pezzi potrebbero deformarsi o cambiare forma utilizzando simulazioni di calore e pressione durante la lavorazione.
Jason Mayeur dell’ORNL ha aggiunto: “Abbiamo ulteriormente migliorato l’efficacia della tecnologia PM-HIP utilizzando un modello computazionale basato sulla meccanica per ridurre i costi di sviluppo e i tempi di realizzazione, eliminando gli approcci per tentativi ed errori”. Il modello consente previsioni più precise, permettendo un processo ottimizzato e risultati migliori nella produzione di componenti di grandi dimensioni.
Foto: Fred List III/ORNL, U.S. Dept. of Energy
