Fabbricazione e rinforzo sintonizzabile della rete

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 16334 (2023) Citare questo articolo

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I materiali avanzati, come i compositi a matrice metallica (MMC), sono importanti per l’innovazione, la sicurezza nazionale e la lotta al cambiamento climatico. Gli MMC sono utilizzati in applicazioni militari, aerospaziali e automobilistiche a causa delle loro eccezionali proprietà meccaniche e termiche, tuttavia l'adozione è stata lenta a causa dei processi di produzione costosi e onerosi. È stato sviluppato un nuovo processo che utilizza la stampa 3D per la fabbricazione di filamenti fusi per realizzare MMC a forma di rete senza utensili o lavorazione meccanica. Il processo prevede la stampa di una preforma di allumina e quindi l’utilizzo dell’infiltrazione senza pressione con una lega di alluminio fuso per formare il composito. In questo processo è possibile realizzare forme arbitrarie (vengono dimostrate una leva del freno e una flangia) e le proprietà possono essere regolate variando il modello geometrico del riempimento in ceramica e il carico della ceramica. Utilizzando un rinforzo in fibra continua al 35% in volume, si ottengono oltre 800 MPa di resistenza e 140 GPa di modulo per il composito di alluminio, 3,4 × e 2 × le proprietà dell'alluminio della matrice.

I materiali avanzati sono di importanza strategica su scala globale poiché sono visti come fattori chiave per l’innovazione, la sicurezza nazionale e per affrontare grandi sfide come il cambiamento climatico1,2. Come sottolinea Deloitte nel suo quadro Advanced Materials Systems, i materiali avanzati rompono i compromessi esistenti tra costi e prestazioni e sarà necessario che le aziende li incorporino nei prodotti per rimanere competitive3. I compositi a matrice polimerica (PMC) sono materiali avanzati apprezzati per la loro adozione sul mercato2. In questi una matrice polimerica, solitamente epossidica, è rinforzata con fibre di carbonio, vetro o Kevlar™. Il composito risultante è un materiale leggero, ad alta resistenza ed elevata rigidità per velivoli ad alte prestazioni, turbine eoliche e articoli sportivi, tra le altre applicazioni. Tuttavia, come sottolineano Maine e Garsney, questa innovazione non è stata sbloccata finché non sono state sviluppate innovazioni di processo che la rendessero accessibile ai produttori4. Simili ai PMC, i compositi a matrice metallica (MMC) furono fabbricati per la prima volta da Stuhrke oltre 60 anni fa5. Questo articolo, descritto come pionieristico dei moderni MMC in6, discute un composito legato per diffusione costituito da cinque strati di alluminio non legato rinforzato con filamenti di boro al 12-15%. Sebbene gli MMC siano utilizzati in applicazioni militari (ad esempio, armature e munizioni), aerospaziali (ad esempio, componenti di motori, carrelli di atterraggio) e automobilistiche (ad esempio, dischi freno)7,8,9,10,11,12,13, l'adozione è rimasta molto indietro rispetto alle PMC a causa delle difficoltà nella produzione, in particolare nella modellazione delle parti MMC. Infatti, il mercato mondiale dei PMC nel 2022 è stato stimato a 18,6 miliardi di dollari14, mentre il mercato dei MMC è stato stimato solo al 2% (366 milioni di dollari)15.

In un MMC, la matrice metallica è rinforzata con fibre e/o particelle di carbonio o ceramica continue o discontinue. I compositi a matrice di alluminio (AMC) sono il tipo più comune di MMC e presentano proprietà interessanti che non sono state ottenute dai PMC. Ad esempio, grazie alla matrice metallica, gli AMC sono eccellenti conduttori di calore e possono essere utilizzati a temperature molto più elevate mentre, grazie al rinforzo, mostrano un’espansione termica molto inferiore, hanno rigidità e resistenza superiori a temperature ambiente ed elevate e mostrano un’eccellente resistenza all’usura. resistenza rispetto all’alluminio non rinforzato. Tuttavia, gli AMC rinforzati con ceramica sono molto impegnativi da lavorare utilizzando metodi convenzionali e la difficoltà aumenta notevolmente con l'aumentare della frazione di volume del rinforzo16. A causa di questa sfida, solo le tecnologie di produzione a forma di rete o quasi a forma di rete, come la metallurgia delle polveri, la fusione a pressione o la fusione per infiltrazione a pressione, sono state opzioni di produzione praticabili per i compositi altamente rinforzati. Tuttavia, queste tecnologie richiedono attrezzature e strumenti costosi specifici per la parte prodotta. Una tecnologia promettente per produrre MMC altamente rinforzati è l'infiltrazione senza pressione, in cui la preforma di particolato ceramico autoportante viene collocata in un serbatoio refrattario riempito con una lega di alluminio-magnesio fusa in un forno con atmosfera di azoto17,18. In questo approccio, una lega fusa penetra nella preforma ceramica a causa delle forze capillari e dopo la solidificazione della lega viene prodotta una parte AMC. Anche se gli stampi non sono necessari per l’infiltrazione, questa tecnologia richiede comunque una serie di attrezzature per lo stampaggio o la pressatura della preforma di rinforzo del particolato, il che la rende proibitivamente costosa per molte applicazioni.