Il crescente utilizzo di processi di Additive Manufacturing (AM) per la realizzazione di componenti meccanici in metallo richiede un parallelo sviluppo nella scienza e nella tecnologia dei trattamenti e/o ricoprimenti superficiali. E' necessario rendere compatibili le metodologie di modifica e ricoprimento della superficie con le peculiari caratteristiche di questi nuovi materiali.
Inizialmente sono state analizzate un insieme di procedure per il trattamento e la finitura superficiale di manufatti in acciaio e leghe di alluminio fabbricati mediante Selective Laser Melting ed è stata verificata la loro efficacia per la successiva deposizione di ricoprimenti sottili funzionalizzanti. L’indagine si è concentrata su rivestimenti multistrato terminati da materiali autolubrificanti quali ad esempio il Diamond-Like Carbon (DLC) che accoppiano elevata resistenza alla corrosione e bassi coefficienti di usura.
Successivamente sono stati cresciuti, mediante tecniche di deposizione industriale di tipo PA-CVD (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition), rivestimenti multistrato autolubrificanti di tipo DLC sulla superficie di manufatti AM opportunamente trattate.
Questa soluzione si è dimostrata molto efficace per migliorare le proprietà tribologiche di tali componenti raggiungendo caratteristiche pari a quelle di ottenute su materiali lavorati con tecniche standard a parità di ricoprimento.
Dettagli microstrutturali della lega AlSi10Mg prodotta tramite Selective Laser Melting
La elevata rugosità, tipica dei manufatti prodotti tramite Additive Manufacturing può limitare fortemente l’utilizzo di questa tecnologia e rendere critico lo sviluppo di ricomprimenti funzionalizzanti. Pertanto sono state testate diverse tecniche di finitura superficiale di uso corrente e facile accessibilità (sabbiatura, burattatura, rettifica) al fine di individuare il miglior compromesso che consenta una riduzione del "costo" delle fasi di post processing sui manufatti AM e il mantenimento di adeguate performance del rivestimento depositato.
La burattatura si è rivelata la scelta ottimale. Questa tecnica, pur non raggiungendo i valori tipici di una rettifica industriale, può ridurre la rugosità ai livelli richiesti e permettere la deposizione di rivestimenti tribologici multifunzionali con tecniche di livello industriale. Inoltre, sono stati individuati trattamenti termici che riducono la dipendenza del materiale AM dalla geometria di crescita (le anisotropie rilevate sono risultate rimovibili dai trattamenti termici standard post crescita applicati), e quelli che realizzano il miglior compromesso tra proprietà meccaniche dei manufatti additive e i trattamenti/rivestimenti protettivi-funzionali.
Infine sono stati realizzati e testati dal punto di vista tribologico alcuni coating con architetture multistrato composti da una base ottenuta tramite nichelatura chimica (NiP) accoppiata con film autolubrificanti a base DLC.
Nella selezione dei processi di trattamento e rivestimento superficiale e nella progettazione delle architetture dei sistemi multistrato depositati post-formatura sui componenti metallici AM sono stati ottimizzati alcuni aspetti critici:
- compatibilità della finitura superficiale di un manufatto AM as-built con i trattamenti e con i metodi di deposizione dei rivestimenti;
- compatibilità del trattamento termico immediatamente successivo alla crescita AM con i successivi trattamenti e con i metodi di deposizione dei rivestimenti;
Questo ha permesso la realizzazione di un rivestimento multistrato in grado di massimizzare l’adesione su manufatti AM e di migliorarne i comportamenti tribologici, a corrosione ed a fatica.
L'additive manufacturing è una tecnologia in espansione, adottata per la fabbricazione di componenti meccanici di interesse per numerosi settori produttivi, in particolare automotive, aerospazio, macchine automatiche, biomedicale, agroalimentare. L'obiettivo di superare le sue criticità e conferire valore aggiunto con ricoprimenti e trattamenti superficiali funzionalizzanti è di stringente e trasversale interesse. Di particolare interesse sono i ricoprimenti orientati a conferire resistenza alla corrosione, all’usura e a ridurre l’attrito e l’uso di lubrificanti fluidi.
Analisi morfologica del rivestimento multistrato con terminazione autolubrificante DLC tramite tecnica FIB-SEM
Rivestimento autolubrificante DLC su lega AlSi10Mg cresciuta tramite AM.
Il confronto con i medesimi rivestimenti cresciuti su substrati realizzati con metodi tradizionali non mostra differenze o criticità
Al fine di ottimizzare le prestazioni del rivestimento autolubrificante DLC su lega AlSi10Mg cresciuta tramite AM sono state testate differenti lavorazioni di finitura superficiale. La burattatura si è rivelata la scelta che garantisce un compromesso ottimale fra costi ed efficacia del successivo processo di deposizione industriale tramite PA-CVD.
E' stata quindi progettata e realizzata una architettura multistrato (NiP/Cr-N/DLC) con caratteristiche di resistenza alla corrosione, proprietà autolubrificanti e anti usura.
Il valore del coefficiente di attrito è stato misurato rispetto ad una controparte sferica in acciaio 100Cr6 e risulta compreso tra 0,18 e 0,22 per rugosità superficiale variabile tra 0,47 e 4,6 micrometri. Tali valori risultano perfettamente confrontabili con quelli ottenuti su leghe cresciute con metodi standard e ricoperte con gli stessi rivestimenti.
Questo lavoro è stato realizzato nell'ambito del progetto RIMMEL (PG/2018/631311) finanziato dalla Regione Emilia Romagna nell'ambito del POR FESR 2014-2020.
BEAMIT S.p.A. leader italiano nel settore dell’Additive Manufacturing di componenti in metallo
Next Coating S.r.l. specializzata in rivestimenti chimici a base Nichel
STS Group S.r.l. una presenza consolidata nel campo dei ricoprimenti e dei rivestimenti per componenti meccanici
In collaborazione con i partner del progetto ed iin particolare col Centro per l'Innovazione Democenter-Sipe è in corso una ampia azione di promozione delle soluzioni innovative sviluppate nel progetto per la ottimizzazione dei manufatti AM. L'attenzione è rivolta verso i settori automotive, aerospaziale, macchine automatiche e nel settore medicale.
Rivestimento multustrato con terminazione DLC su disco in lega AlSi10Mg realizzato in Additive Manufacturing. Risultati dei test tribologici in configurazione ball on disc