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May 26, 2023

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La produzione industriale di leghe di titanio è sempre stata afflitta da sfide legate alla qualità e alla gestione dei rifiuti. Scienziati di ingegneria dell'Università Politecnica di Hong Kong

La produzione industriale di leghe di titanio è sempre stata afflitta da sfide legate alla qualità e alla gestione dei rifiuti. Scienziati di ingegneria dell’Università Politecnica di Hong Kong (PolyU), in collaborazione con l’Università RMIT e l’Università di Sydney, hanno utilizzato con successo la produzione additiva, nota anche come stampa 3D, per risolvere questi problemi di vecchia data nella produzione di leghe di titanio. Lo studio di ricerca, intitolato “Leghe titanio-ossigeno-ferro forti e duttili mediante produzione additiva”, è stato recentemente pubblicato su Nature.

Le leghe di titanio sono materiali leggeri avanzati che svolgono un ruolo indispensabile in molte applicazioni critiche. La scoperta da parte del gruppo di ricerca dell'uso innovativo della produzione additiva per la produzione di leghe di titanio e potenzialmente di altri materiali metallici offre numerosi vantaggi, come costi ridotti, prestazioni migliorate e gestione sostenibile dei rifiuti.

Attraverso l’uso della stampa 3D, il gruppo di ricerca ha prodotto una nuova lega di titanio forte, duttile e sostenibile (lega α–β Ti-O-Fe). Queste proprietà si ottengono attraverso l’incorporazione di ossigeno e ferro, economici e abbondanti, che sono i due più potenti elementi stabilizzanti e rinforzanti per le leghe di titanio in fase α–β. La nuova lega di titanio presenta un immenso potenziale per diverse applicazioni, che vanno dall’ingegneria aerospaziale e navale all’elettronica di consumo e ai dispositivi biomedici.

Rispetto al materiale di riferimento Ti-6AI-4V, ampiamente utilizzato sin dalla sua formulazione nel 1954, la nuova lega di titanio prodotta dal gruppo di ricerca dimostra prestazioni meccaniche migliori, con duttilità comparabile e resistenza notevolmente maggiore.

Sebbene per produrre la nuova lega di titanio possano essere utilizzati anche metodi di produzione tradizionali, come la fusione, le scarse proprietà del materiale risultante potrebbero renderlo inadatto all’ingegneria pratica. La produzione additiva supera efficacemente i limiti dei metodi tradizionali per migliorare le proprietà delle leghe.

Il processo Kroll ad alta intensità energetica, tipicamente utilizzato per produrre leghe di titanio, genera titanio spugnoso di qualità inferiore, che rappresenta circa il 10% di tutto il titanio spugnoso, con conseguenti notevoli sprechi e maggiori costi di produzione. La produzione additiva affronta efficacemente questo problema consentendo il riciclaggio della spugna di titanio di scarto, convertendo i rifiuti in polvere da utilizzare come materia prima.

Il dottor Zibin CHEN, professore assistente del Dipartimento di ingegneria industriale e dei sistemi presso PolyU, vincitore del Young Innovative Researcher Award 2022 e uno dei principali autori della ricerca, ha dichiarato: "Il nostro lavoro può facilitare il riciclaggio di oltre il 10% dei rifiuti rifiuti generati dall’industria di produzione delle leghe metalliche. Ciò può ridurre significativamente sia i costi dei materiali che quelli energetici per le industrie, contribuendo alla sostenibilità ambientale e alla riduzione dell’impronta di carbonio."

La ricerca integra progettazione della lega, simulazioni computazionali e caratterizzazione sperimentale per esplorare lo spazio delle proprietà, microstruttura e processo di produzione additiva per la nuova lega di titanio (lega α–β Ti-O-Fe).

Lo studio evidenzia che la produzione additiva consente la produzione in un’unica fase di parti metalliche complesse e funzionali, accelerando così lo sviluppo del prodotto con costi ridotti. Inoltre, può essere utilizzato per fabbricare parti metalliche con strutture e composizioni uniche, che non possono essere ottenute utilizzando metodi tradizionali.

In termini di miglioramento della qualità, la produzione additiva consente la regolazione della microstruttura delle leghe metalliche, con conseguente aumento di resistenza, flessibilità e resistenza alla corrosione e all’acqua. Inoltre, è possibile produrre parti metalliche leggere ma resistenti con intricati motivi interni. Questa svolta della ricerca apre possibilità per strategie di progettazione dei materiali olistiche e sostenibili agevolate dalla stampa 3D.

Il prof. Keith KC CHAN, professore titolare di Ingegneria della produzione presso il Dipartimento di ingegneria industriale e dei sistemi della PolyU e coautore dello studio, ha osservato: "Questo lavoro può servire da modello o punto di riferimento per altre leghe metalliche che utilizzano la stampa 3D". per migliorare le loro proprietà ed espandere la loro applicabilità. La stampa 3D in metallo è un campo emergente e ci vorrà del tempo prima che venga ampiamente adottata nella produzione di materiali.