Materiali e componenti ingegneristici avanzati più longevi in applicazioni industriali con condizioni estreme
Una delle sfide nello sviluppo di materiali e componenti è realizzare soluzioni più durature in grado di resistere alle alte temperature o ai cicli termici (riscaldamento e raffreddamento ripetuti che causano l’espansione e la contrazione dei materiali). L’uso di tecnologie di produzione a minore intensità di risorse permette di risparmiare energia e risorse minerarie, offrendo al contempo un nuovo standard di produzione efficiente di componenti per apparecchiature ingegneristiche resistenti alle alte temperature e alla corrosione.
Ostacoli alla sostenibilità nello stampaggio a caldo
Il progetto HIPERMAT, finanziato dall’UE, si è concentrato su un caso d’uso che coinvolge un forno a travi rotanti, utilizzato nel processo di stampaggio a caldo. Questo processo produttivo, impiegato anche dall’industria automobilistica, permette di produrre grandi volumi di componenti leggeri per le scocche nude, ma il forno è il macchinario che consuma più energia e risorse. I forni operano in condizioni gravose, con temperature che sfiorano i 1 000 gradi Celsius, carichi elevati a causa del peso delle travi e delle lamiere d’acciaio in lavorazione, e con un ambiente corrosivo dovuto all’alta temperatura e al calore continuo al loro interno. Queste condizioni difficili causano varie tipologie di guasto. Le frequenti attività di manutenzione e sostituzione dei componenti in questi forni riducono notevolmente la produttività e aumentano il consumo di energia e risorse, a causa dei materiali critici necessari per la produzione dei componenti.
Innovazioni nei materiali per affrontare le sfide dello stampaggio a caldo
Con l’obiettivo di rendere lo stampaggio a caldo più sostenibile, HIPERMAT ha sfruttato strumenti di progettazione avanzati per ottimizzare la selezione dei materiali e la durata dei componenti. L’iniziativa ha portato allo sviluppo e alla convalida di leghe resistenti alle alte temperature e alla corrosione, comprese varianti di acciaio inossidabile refrattario e altre leghe applicate in strati protettivi. «Gli acciai inossidabili refrattari standard comprendono un’ampia gamma di elementi chimici convenzionali come carbonio, nichel e cromo. Limitando la percentuale di questi elementi nella lega e combinandone intelligentemente altri come il niobio, il tungsteno e il molibdeno, si modifica la microstruttura della lega, migliorandone le proprietà antiusura e alle alte temperature», spiega il coordinatore del progetto Fernando Santos.
Tecniche di fabbricazione avanzata per componenti con prestazioni maggiori
Per produrre i componenti finali di queste leghe ad alte prestazioni, il team del progetto ha utilizzato tecniche avanzate di produzione additiva come la deposizione laser di metalli (LMD, Laser Metal Deposition), i rivestimenti ceramici e la tecnologia di ablazione. «Tipicamente, la produzione di componenti per apparecchiature ad alta temperatura comporta la modifica dei materiali principali. Ma l’introduzione dei rivestimenti ceramici LMD a ossicombustione ad alta velocità consente di utilizzare leghe dal costo elevato solo in superficie, mentre il nucleo del pezzo è costituito dalla lega di base», sottolinea Santos. «Questo metodo di riparazione e ripristino dello strato esterno, anziché di sostituzione dell’intero pezzo, è un progresso significativo nel consumo di risorse.» La tecnologia di ablazione, se utilizzata nella produzione dei materiali principali, modifica la microstruttura eterogenea creata dai tradizionali processi di fusione dell’acciaio. Le leghe risultanti hanno dunque carburi più sottili e distribuiti in modo più uniforme, che favoriscono una maggiore resistenza allo scorrimento e raddoppiano i valori di corrente. Dopo approfonditi controlli distruttivi e non distruttivi, i componenti sono stati integrati in un vero forno di stampaggio a caldo, dove le loro prestazioni sono state costantemente monitorate attraverso una rete avanzata di sensori incorporati e di strumenti per l’elaborazione dati. «Convenzionalmente, i sensori sono collocati nelle pareti, nel soffitto e nel pavimento del forno, ma non vicino ai pezzi in lavorazione. La possibilità di stampare sensori tramite LMD e di inserirli in pezzi funzionali vicini a quelli in lavorazione facilita il controllo del processo e migliora la qualità del pezzo finale. «Il lavoro di HIPERMAT si distingue poiché privilegia l’analisi basata sui dati rispetto alle simulazioni tradizionali basate sulla fisica. Questo approccio genera algoritmi che identificano le variabili critiche, facilitando uno sviluppo più rapido di nuovi materiali con proprietà avanzate per resistere in ambienti complessi», conclude Santos. Concentrando l’attenzione su una selezione dei materiali ottimizzata e sul miglioramento delle tecniche di produzione, HIPERMAT ha sviluppato materiali avanzati che potrebbero ridurre nettamente il consumo di energia e risorse nei processi industriali.
Parole chiave
HIPERMAT, leghe, stampaggio a caldo, alte temperature, corrosione, rivestimenti ceramici, ablazione, deposizione laser di metalli, analisi guidata dai dati, simulazioni basate sulla fisica, industrie di trasformazione, industrie ad alta intensità energetica