I progressi della ricerca sottolineano il potenziale di Low

14 aprile 2023

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Lo stampaggio ad iniezione di polveri a bassa pressione (LPIM) e lo stampaggio ad iniezione di polveri ad alta pressione (HPIM) sono processi di produzione essenzialmente simili. Tuttavia, il processo LPIM richiede l'uso di materie prime a bassa viscosità compresa tra 1,5 e 4,0 Pa·sec per sfruttare pressioni di iniezione inferiori inferiori a 1 MPa. Le pressioni di iniezione HPIM variano tipicamente tra 20 e 200 MPa, utilizzando, ad esempio, una macchina per lo stampaggio con un'unità idraulica complessa, pistoni e mandrini per trattare materie prime con viscosità comprese tra 100 e 1000 Pa·sec.

Le macchine per lo stampaggio LPIM, al contrario, tendono a utilizzare semplici meccanismi idraulici e sono generalmente di dimensioni più ridotte, con conseguenti minori costi delle attrezzature, minor consumo di energia, minore usura dello stampo, minore contaminazione delle materie prime dovuta all'usura del mandrino o del pistone, minima adesione della miscela allo stampo, e mancata separazione del legante della materia prima dalla polvere metallica.

LPIM è stato utilizzato con successo per diversi decenni per la produzione di componenti ceramici in bassi e alti volumi, mentre HPIM, negli ultimi trenta-quaranta anni, si è concentrato principalmente sulla produzione in grandi volumi di un'ampia gamma di materiali tra cui leghe, materiali duri metalli e ceramiche per componenti dalla forma relativamente piccola e altamente complessa. Tuttavia, LPIM sta attirando l'attenzione dei produttori HPIM e degli utilizzatori di componenti a causa dei potenziali risparmi derivanti dall'utilizzo di attrezzature per lo stampaggio a iniezione a basso costo e di dimensioni ridotte, dallo sviluppo di leganti di materie prime con migliore fluidità utilizzando polimeri a basso peso molecolare e dall'eliminazione di molteplici fasi di deceraggio richieste nell'HPIM. Recenti ricerche hanno dimostrato che LPIM può anche essere un processo economicamente vantaggioso per la prototipazione e la produzione in piccola serie di componenti a base metallica complessi, con forma quasi netta e ad alto valore aggiunto, come ad esempio per applicazioni aerospaziali e mediche. Tuttavia, la sfida principale per l’adozione di LPIM è la composizione della materia prima, che influisce sui problemi associati allo stampaggio a iniezione e al successivo deceraggio.

Per accertare il potenziale futuro di LPIM, un gruppo di ricercatori della Montanuniversitaet Leoben, Austria, (V Momeni, M Hufnagl, Z Shahroodi, S Schuschnigg, C Kukla e C Holzer) e dell'Istituto lussemburghese di scienza e tecnologia ( J Gonzalez-Gutierrez), ha prodotto un'indagine completa delle ricerche pubblicate sulle caratteristiche di tutte le fasi di lavorazione in LPIM, comprese le caratteristiche delle polveri metalliche e ceramiche utilizzate, dei leganti, dello stampaggio, del deceraggio e della sinterizzazione. Il sondaggio di 44 pagine, inclusi 226 riferimenti da lavori di ricerca sia accademici che industriali, è stato pubblicato online in Materials, 16, 379, 23 dicembre 2022.

Gli autori della revisione hanno riferito che i gruppi di ricerca hanno utilizzato LPIM per produrre parti da una gamma di leghe metalliche tra cui ferro, acciaio inossidabile 316L, superlega Inconel 718 e ceramica e carburi cementati, nell'intervallo di 100-10.000 unità. Si è scoperto che gli attuali sforzi di ricerca si concentrano sullo sviluppo di metodi sperimentali e simulazioni numeriche per esaminare l'impatto delle caratteristiche della polvere, dei parametri di iniezione e delle proprietà/caratteristiche delle materie prime sulla polvere metallica e sulla segregazione del legante durante LPIM.

Per quanto riguarda le materie prime, è stato affermato che i leganti multicomponente a bassa viscosità tipicamente utilizzati in LPIM sono in gran parte basati su cera di paraffina (PW) che garantisce eccellenti capacità di stampaggio e promuove le interazioni polvere-legante e la stabilità delle materie prime, con conseguente scarsa segregazione. Si dice che tali sistemi leganti a base di cera a bassa viscosità escludano i polimeri a causa del loro elevato peso molecolare.

È stato affermato che l'utilizzo di un carico di polvere più elevato per la materia prima LPIM non è solitamente auspicabile, poiché potrebbe generare problemi e complicazioni legati al processo come agglomerazione, disomogeneità nella materia prima e diversi difetti in ogni fase. Inoltre, l’assenza di elementi nel legante che favoriscono il mantenimento della forma ad alte temperature indica che il deceraggio e la sinterizzazione precisi devono essere eseguiti con particolare attenzione. Può anche essere difficile ottenere caratteristiche meccaniche eccellenti con un carico di polvere inferiore nella materia prima LPIM rispetto alla materia prima HPIM.