Un team di ricercatori del Laboratorio Nazionale di Lawrence Livermore (LLNL), del Laboratorio Nazionale di Ames, della Georgia Tech University e dell'Oregon State University ha sviluppato un metodo innovativo per la stampa 3D acciaio inossidabile forte e duttile.

I ricercatori hanno effettivamente prodotto uno degli acciai inossidabili di qualità marini più comunemente usati, un tipo a basso tenore di carbonio chiamato 316L.

La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Materials.

Precedenti ricerche hanno dimostrato che i materiali creati con la stampa 3D spesso avevano scarse prestazioni meccaniche rispetto ai materiali prodotti da altri metodi di produzione, ha detto il LLNL scientifico dei materiali e autore principale Morris Wang.

Questo è "a causa di pori intrinseci e difetti intrappolati durante i processi di produzione additiva", ha detto Wang.

L'intento del team era di garantire che le prestazioni dei materiali stampati 3D fossero uguali o migliori rispetto allo stesso materiale prodotto da altri metodi di produzione, ha affermato Wang.

In questo studio i ricercatori sono stati in grado di raggiungere questo obiettivo.  

"La nostra ricerca dimostra che siamo in grado di stampare sia acciai inossidabili resistenti che duttili, le cui prestazioni sono effettivamente migliori dello stesso materiale prodotto da altri metodi di produzione", ha affermato Wang.

Questa ricerca potrebbe portare alla diffusa stampa 3D di componenti in acciaio inossidabile nelle industrie aerospaziali, automobilistiche, petrolio e gas, dove sono necessari materiali forti e duri per tollerare la forza estrema in ambienti difficili, ha dichiarato Wang.

Per garantire che l'acciaio inossidabile 3L con stampa 316D potesse soddisfare o superare i metodi di prova testati nel 316L prodotto tradizionalmente, il team ha dovuto limitare la porosità causata durante la fusione di polveri metalliche.

Il team ha limitato la fragilità e ottimizzato la densità dell'acciaio inossidabile stampato con 3D attraverso esperimenti e modellizzazione al computer, oltre a modificare la microstruttura del materiale.

"Questa microstruttura che abbiamo sviluppato rompe la tradizionale barriera al limite della forza-duttilità", ha detto Wang in una nota.

"Per l'acciaio, vuoi renderlo più forte, ma perdi essenzialmente la duttilità; non puoi averli entrambi Ma con la stampa 3D, siamo in grado di spostare questo limite oltre l'attuale compromesso. "

Il team ha stampato lastre sottili di acciaio inossidabile 316L utilizzando due diverse macchine di fusione a letto in polvere laser. Questa tecnica ha creato strutture simili a cellule che potrebbero essere utilizzate per alterare e migliorare le proprietà meccaniche, hanno detto i ricercatori in una dichiarazione.

"Quando produci addizionalmente 316L crea una struttura di grano interessante, un po 'come una vetrata", scienziato LLNL Alex Hamza ha detto in una dichiarazione.

"I grani non sono molto piccoli, ma le strutture cellulari e altri difetti all'interno dei grani che si vedono comunemente nella saldatura sembrano controllare le proprietà. Questa è stata la scoperta. "

Questo stesso approccio alla stampa 3D potrebbe frenare lo sviluppo di materiali di ingegneria aggiuntivi quali leghe di titanio o leghe di magnesio, ha dichiarato Wang.

Thomas Voisin, ricercatore post-dottorato del LLNL, un collaboratore chiave del documento, ritiene che questa ricerca possa fornire una nuova comprensione delle relazioni struttura-proprietà nei materiali stampati 3D.

"La deformazione dei metalli è principalmente controllata dal modo in cui i difetti su scala nanometrica si spostano e interagiscono nella microstruttura", ha affermato Voisin in una nota.

"È interessante notare che questa struttura cellulare agisce come un filtro, consentendo ad alcuni difetti di muoversi liberamente e quindi fornire la duttilità necessaria bloccando altri per fornire la forza. Osservare questi meccanismi e comprenderne la complessità ora ci permette di pensare a nuovi modi per controllare le proprietà meccaniche di questi materiali stampati 3D. "

Tradizionalmente, la stampa 3D non ha prodotto prestazioni efficienti nei metalli in leghe. "In effetti, forse su 90 per cento delle leghe attualmente in uso non è possibile stampare 3D", ha detto Wang.

L'obiettivo finale del team è "dimostrare che i componenti in metallo con stampa 3D hanno prestazioni sostanzialmente migliori rispetto ai componenti attuali già in uso", ha affermato Wang.

"Questo spingerà la produzione additiva ad un altro livello."

Durante questa ricerca pluriennale, l'Ames Lab ha contribuito con la conduzione della diffrazione a raggi X per comprendere meglio le prestazioni dei materiali, i ricercatori della Georgia Tech hanno costruito la modellazione per determinare come 316L potrebbe avere elevata resistenza e duttilità e i ricercatori dell'Oregon State hanno effettuato analisi sulla composizione e caratterizzazione.