Stampanti 3D per materiali a gradiente funzionale — Produzione additiva con metalli a gradiente
3DPTEK è l'unico produttore al mondo di stampanti 3D FGM pronte per la produzione. La nostra tecnologia SLM multipolvere brevettata consente transizioni senza soluzione di continuità tra leghe metalliche diverse all'interno di un unico modello, ottenendo proprietà dei materiali impossibili da ottenere con i metodi di produzione convenzionali.
Cosa sono i materiali a gradiente funzionale (FGM)?
I materiali a gradiente funzionale (FGM), noti anche come materiali a gradiente funzionale, sono compositi avanzati in cui due o più materiali con proprietà diverse vengono combinati all’interno di un unico componente continuo. A differenza dei metodi di giunzione tradizionali, gli FGM eliminano le interfacce nette: la composizione e la microstruttura variano gradualmente lungo tutto il componente.
Nella produzione convenzionale, per combinare una superficie resistente all’usura con un’anima tenace e duttile è necessario ricorrere alla saldatura, alla brasatura o al fissaggio meccanico — ciascuna delle quali introduce concentrazioni di sollecitazioni e punti di rottura. La tecnologia FGM risolve questo problema creando un gradiente composizionale senza soluzione di continuità: 100% del materiale A su una superficie, che passa gradualmente al 100% del materiale B sull’altra.
La tecnologia SLM a gradiente di 3DPTEK rende possibile tutto ciò controllando con precisione il rapporto tra due (o più) polveri metalliche depositate sul letto di polvere prima della fusione laser. Il risultato: un unico pezzo che è al tempo stesso duro e tenace, resistente alla corrosione e termoconduttivo, leggero e robusto.
Come funziona la stampa 3D con Gradient Metal
Il sistema brevettato di erogazione multipla di polveri di 3DPTEK consente un controllo preciso della composizione lungo uno, due o tre assi: una capacità che nessun'altra stampante 3D per metalli disponibile in commercio è in grado di eguagliare.
Deposizione di polveri multiple
Due o più polveri metalliche vengono dosate con precisione e depositate sulla piattaforma di stampa in proporzioni controllate e variabili in modo continuo.
Controllo della composizione
I meccanismi brevettati di distribuzione della polvere consentono di ottenere gradienti compositivi uniformi lungo gli assi X, Y e/o Z con una precisione dell'ordine dei micron.
Fusione selettiva a laser
Un laser a fibra IPG da 500 W fonde in modo selettivo la miscela di polveri diverse trasformandola in un componente metallico completamente denso e continuo — atomo dopo atomo, strato dopo strato.
Parte con sfumatura senza soluzione di continuità
Nessuna saldatura. Nessun giunto. Nessun adesivo. Solo un unico pezzo continuo con proprietà del materiale variabili nello spazio, realizzato in un unico processo.
Perché la stampa 3D con metalli a gradiente è importante
La produzione additiva con metalli a gradiente consente agli ingegneri di progettare componenti con proprietà ottimizzate dal punto di vista spaziale: un vero e proprio cambiamento di paradigma rispetto alla progettazione con materiali omogenei.
Gradiente, non livelli
Le transizioni compositive continue sostituiscono le interfacce materiali discrete, eliminando le concentrazioni di sollecitazioni causate dai metodi di giunzione tradizionali.
Un unico componente, molteplici proprietà
Resistente all'usura nei punti di contatto, resistente alla corrosione nelle parti esposte, robusto nei punti sottoposti a carico: il tutto in un unico componente monolitico.
Nessuna saldatura, nessun guasto
Eliminare la brasatura, la saldatura e i fissaggi meccanici. Nessuna corrosione tra metalli dissimili. Nessun punto di concentrazione delle sollecitazioni nei giunti. Un unico sistema di materiale continuo.
Ricerca e sviluppo accelerata
Testare l'intera gamma di composizioni in un unico ciclo di produzione. Valutare nuovi sistemi di leghe in pochi giorni, anziché in mesi. Ridurre i rischi legati all'innovazione dei materiali prima di passare alla produzione su larga scala.
Sistemi di stampa 3D Gradient Metal
Due piattaforme pronte per la produzione destinate alla realizzazione di materiali a gradiente funzionale. Entrambi i sistemi sono dotati di laser a fibra IPG da 500 W, di un’architettura aperta per i materiali e di una tecnologia brevettata di alimentazione multipla delle polveri.
AFS-M120X
Gradiente orizzontale (asse X) tra due leghe. Per componenti che richiedono proprietà dei materiali diverse sulle facce opposte: utensili, parti soggette a usura e componenti resistenti alla corrosione.
AFS-M120XT
Controllo completo della composizione sugli assi X/Y/Z con transizioni brusche tra gli strati Z. Per ricerche avanzate sui materiali compositi e componenti che richiedono una complessità reale dei gradienti 3D.
Combinazioni collaudate di materiali a gradiente
I sistemi a gradiente 3DPTEK hanno dimostrato di consentire transizioni efficaci in un’ampia gamma di coppie di leghe rilevanti dal punto di vista industriale. Ciascuna combinazione è stata convalidata tramite analisi microstrutturale e prove meccaniche.
Gradiente in lega Ta-Ti
Transizioni tantalio-titanio per impianti biomedici che richiedono un’elevata radiopacità unita all’osteointegrazione.
CoCrMo → IN718
Gradiente da cobalto-cromo a Inconel 718 per componenti aerospaziali che richiedono resistenza all'usura con transizione verso resistenza alle alte temperature.
SS316L → CoCrMo
Passaggio dall’acciaio inossidabile resistente alla corrosione al cobalto-cromo ad alta resistenza all’usura per applicazioni nel settore marittimo e nella lavorazione chimica.
Acciaio abrasivo + lega a base di nichel
Acciaio per utensili resistente all’usura con superlega al nichel, destinato a componenti di reattori nucleari che richiedono resistenza alla corrosione ad alta temperatura.
Sfumatura di alluminio e acciaio
L'alluminio leggero viene sostituito dall'acciaio ad alta resistenza per i componenti navali che richiedono sia una riduzione del peso che l'integrità strutturale.
Posizionamento della polvere con gradiente 2D
Posizionamento bidimensionale in due fasi di polveri additive con gradiente, che consente il controllo simultaneo della composizione lungo gli assi X e Y.
AFS-M120X e AFS-M120XT — Specifiche tecniche
Entrambi i modelli condividono la stessa piattaforma di precisione. Il modello AFS-M120XT presenta in più un gradiente verticale e un serbatoio di costruzione più alto.
| Parametro | AFS-M120X | AFS-M120XT |
|---|---|---|
| Funzione gradiente | Gradiente orizzontale (asse X) | Orizzontale + Verticale (X/Y/Z) |
| Dimensioni del serbatoio (L×P×A) | 120×120×150 mm | 120×150×150 mm |
| Dimensioni dell'apparecchiatura (L×P×A) | 1532 × 1390 × 1830 mm | |
| Tipo di laser | Laser a fibra IPG — 500 W | |
| Precisione di formatura | ±0,1 mm / 100 mm | |
| Velocità di formatura | 2–20 cm³/h | |
| Spessore dello strato | 0,02–0,1 mm | |
| Velocità massima di scansione | 6 m/s | |
| Materiali da formatura | Acciaio inossidabile • Lega di titanio • Lega di alluminio • Acciaio per stampi • Lega CoCr • Lega a base di nichel | |
| Peso dell'attrezzatura | Circa 1,5 tonnellate | |
| Alimentazione | 380 V CA / 50 Hz / 8 kW trifase a cinque fili (TN-S) | |
Settori trasformati dalla stampa 3D in metallo con gradiente
La tecnologia FGM affronta sfide che la metallurgia convenzionale non è in grado di risolvere. È proprio in questo ambito che la stampa metallica a gradiente sta avendo il maggiore impatto.
Settore aerospaziale e turbomacchine
Pale di turbina con gradienti di barriera termica. Componenti della camera di combustione con superfici resistenti all’ossidazione e anime resistenti allo scorrimento. Soluzioni costituite da un unico pezzo che sostituiscono i gruppi multileghe.
Energia nucleare
Componenti del reattore che richiedono contemporaneamente resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione elettrolitica. Certificati dall’Istituto di Automazione di Shenyang per applicazioni nucleari.
Settore navale e cantieristico
Strutture leggere con gradiente alluminio-acciaio per imbarcazioni navali. Elevata resistenza alla corrosione unita all’integrità strutturale. Convalidate dall’Università di Tecnologia di Lanzhou.
Impianti medici
Dispositivi a gradiente biocompatibili con superfici di articolazione resistenti all’usura e zone di contatto con l’osso osteointegranti. Sistemi a gradiente Ta-Ti e CoCrMo-Ti.
Attrezzature e pressofusione
Matrici con raffreddamento conformazionale, realizzate in rame ad alta conduttività termica che sfuma gradualmente in acciaio per utensili ad alta durezza sulla superficie di lavoro. Tempi di ciclo e durata degli utensili notevolmente migliorati.
Ricerca sui materiali
Screening di leghe ad alta produttività. Stampa intere librerie di composizioni in un’unica sessione di produzione. Accelera lo sviluppo di nuovi materiali, riducendo i tempi da anni a settimane.
Casi di studio di ricerca
Le stampanti 3D per metalli Gradient di 3DPTEK godono della fiducia dei principali istituti di ricerca per applicazioni complesse e concrete.
Componenti dei reattori nucleari
Il gruppo di ricerca dello State Key Laboratory of Robotics è riuscito a realizzare la produzione additiva a gradiente di leghe di Ta-W e Ta-Ti utilizzando la tecnologia SLM a gradiente di 3DPTEK — materiali che in precedenza era impossibile lavorare con una singola lega. Questa innovazione ha eliminato la necessità di assemblaggi multimateriale in ambienti critici come i reattori.
Strutture navali leggere
È stato sviluppato un materiale bidimensionale a gradiente in lega di alluminio e acciaio per la ricerca e lo sviluppo di componenti navali. La transizione gradiente ha consentito di ottenere caratteristiche di leggerezza sulle superfici ricche di alluminio, mantenendo al contempo un’elevata resistenza meccanica e alla corrosione sulle superfici ricche di acciaio. Questa ricerca apre la strada a strutture navali di nuova generazione che sono al tempo stesso più leggere, più resistenti e più durevoli rispetto ai progetti convenzionali.
Domande frequenti
I materiali a gradiente funzionale (FGM), noti anche come materiali a gradiente funzionale, sono compositi avanzati in cui due o più materiali con proprietà diverse vengono combinati all’interno di un unico componente. La composizione e la microstruttura variano gradualmente lungo il componente, eliminando le interfacce nette e consentendo a un unico componente di possedere proprietà diverse — come la resistenza all’usura su una superficie e la resistenza alla corrosione su un’altra — senza giunti, saldature o adesivi.
I sistemi SLM a gradiente di 3DPTEK utilizzano una tecnologia brevettata di erogazione multipla delle polveri. Due o più polveri metalliche vengono depositate con precisione in rapporti controllati su tutto il letto di polvere, per poi essere fuse in modo selettivo tramite laser. Il nostro modello AFS-M120X consente di ottenere transizioni graduali in senso orizzontale (asse X), mentre il modello AFS-M120XT aggiunge la funzionalità di gradiente verticale (asse Z) per un vero controllo composizionale 3D all’interno di un’unica stampa.
I sistemi a gradiente 3DPTEK hanno dimostrato di consentire transizioni efficaci tra: leghe Ta-Ti, CoCrMo e IN718 (Inconel), SS316L e CoCrMo, acciaio abrasivo e leghe a base di nichel, nonché leghe di alluminio-acciaio. Questa tecnologia supporta praticamente qualsiasi combinazione di polveri metalliche saldabili, rendendola ideale per lo sviluppo di nuovi materiali e l’ottimizzazione delle prestazioni.
I componenti FGM assumono un ruolo sempre più cruciale nei settori aerospaziale (componenti per turbine con gradienti termici), dell’energia nucleare (componenti resistenti alla corrosione e alle alte temperature), dell’ingegneria navale (strutture leggere ad alta resistenza), dei dispositivi medici (impianti biocompatibili con gradienti) e degli utensili (superfici resistenti all’usura con anime tenaci). I sistemi 3DPTEK sono stati utilizzati dall’Istituto di Automazione di Shenyang e dall’Università di Tecnologia di Lanzhou per applicazioni nel settore nucleare e navale.
Sì. 3DPTEK è attualmente l’unico produttore a offrire stampanti 3D per materiali a gradiente funzionale pronte per la produzione e disponibili in commercio. La nostra tecnologia brevettata di alimentazione multipolvere e controllo del gradiente, sviluppata in collaborazione con i principali istituti di ricerca cinesi, è unica nel mercato globale della produzione additiva.