IT202100024641A1 - Materiali gerarchici tridimensionali porosi comprendenti una struttura reticolare con inserti flottanti all’interno delle porosità - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
?MATERIALI GERARCHICI TRIDIMENSIONALI POROSI COMPRENDENTI UNA STRUTTURA RETICOLARE CON INSERTI FLOTTANTI ALL?INTERNO DELLE POROSIT??
La presente invenzione ha per oggetto un materiale gerarchico ottenibile attraverso un processo di additive manufacturing, caratterizzato da una struttura reticolare in cui all?interno delle porosit? sono presenti inserti, di materiale uguale o diverso da quello della struttura, non vincolati a detta struttura e liberi di muoversi nello spazio all?interno della porosit?.
L?invenzione ha inoltre per oggetto utensili e manufatti comprendenti o costituiti da detto materiale gerarchico.
Stato della tecnica
Le strutture gerarchiche contengono elementi strutturali che a loro volta hanno una struttura. L?ordine gerarchico di una struttura o di un materiale pu? essere definito come il numero n di livelli di scala con struttura riconosciuta. n= 0 corrisponde a un materiale visto come un continuum ai fini dell'analisi delle propriet? fisiche; n = 1 (primo ordine) potrebbe rappresentare un reticolo di nervature continue o il reticolo atomico di un cristallo.
Sono noti materiali gerarchici realizzati con metodi tradizionali, ossia per asportazione del materiale in eccesso o fusione in stampi, per esempio tramite metallurgia delle polveri. In questi casi, la variazione delle performance chimico-fisiche del materiale ? ottenuta variando la dimensione delle porosit? in maniera differenziale. Questa tecnica non consente di realizzare agevolmente strutture porose dotate di inserti. Altri metodi che si basano su processi chimici e lavorazioni successive partono dalle matrici di materiali gerarchici e durante il processo di produzione aggiungono inserti di un materiale differente per conferire appunto la qualit? di materiale gerarchico: con questo approccio il materiale risultante appare monolitico e non presenta porosit? che garantiscano riduzione di peso.
Esempi di materiali gerarchici utili per applicazione come impianti ossei sono descritti in EP 3 137 125 e in US 10,849,756.
EP 2 334 836 descrive un materiale gerarchico composito di una lega ferrosa caratterizzato da una macro-microstruttura alternata in cui particelle globulari micrometriche di carburo di titanio sono circondate da aree di lega ferrosa di dimensioni comprese fra 1 e 12 mm. Il materiale, ottenuto per self propagating high temperature synthesis, ? utile per parti soggette ad usura di macchine ed utensili.
CN106984822 descrive una struttura porosa a nido d?ape ottenibile con tecniche di stampa 3D per l?impiego come materiale per componenti di veicoli.
US 7, 871, 578 descrive strutture porose utili per la produzione di scambiatori di calore.
Szyniszewski, S., et al., (2020). Non-cuttable material created through local resonance and strain rate effects. Scientific reports, 10(1),1-24, descrivono un materiale avente il 15% di densit? dell'acciaio, caratterizzato da una griglia di segmenti ceramici all?interno di una matrice cellulare avente il 15% di densit? dell'acciaio. Il materiale ? resistente all?azione di taglio di una smerigliatrice angolare e di un trapano elettrico.
Nessuno dei documenti citati descrive le caratteristiche critiche ed essenziali dell?invenzione, riportate di seguito.
Descrizione dell?invenzione
La presente invenzione ha per oggetto materiali gerarchici ottenibili con tecniche di additive manufacturing che presentano migliorate caratteristiche di resistenza quando sottoposti ad azioni di carico, con prestazioni analoghe o migliori di quelle di materiali gerarchici ottenuti mediante processo chimico.
I materiali secondo l?invenzione, caratterizzati da inserti all?interno di porosit? della struttura principale e portante, sono pi? leggeri rispetto a materiali di struttura monolitica convenzionale.
Gli inserti sono liberi di muoversi all?interno della porosit? e, a seconda della sollecitazione a cui ? sottoposto il materiale, conferiscono propriet? e prestazioni vantaggiose in funzione dello stato di sollecitazione, ad esempio un carico meccanico o fluidodinamico.
I materiali sono ottenibili mediante tecnologie di fabbricazione additiva in un singolo passaggio.
L?invenzione fornisce pertanto un materiale gerarchico, caratterizzato da una struttura reticolare in cui all?interno delle porosit? sono presenti inserti, di materiale uguale o diverso da quello della struttura, non vincolati a detta struttura e liberi di muoversi nello spazio all?interno della porosit?, detto materiale essendo ottenibile attraverso un processo di additive manufacturing.
Tecniche adatte di additive manufacturing comprendono ad esempio Directed Energy Deposition, Powder Bed Fusion, Selective Laser Melting.
Gli inserti possono essere dello stesso materiale della struttura reticolare e di diverse forme, ad esempio di forma sostanzialmente sferica.
Il materiale dell?invenzione pu? essere costituito da acciaio inossidabile, leghe di cobalto-cromo, leghe di alluminio, leghe di nichel o leghe di titanio, ad esempio una lega Ti6Al4V, o qualunque altro componente utilizzabile in tecniche di additive manufacturing.
Le dimensioni delle porosit? possono variare entro ampi limiti ma sono tipicamente comprese tra 10 mm<3 >e 15 mm<3 >mentre le dimensioni degli inserti sono comprese tra 0,3 mm<3 >e 0,6 mm<3>.
La cella elementare, con incluso l?inserto, pu? essere ripetuta nello spazio in maniera periodica o in maniera non periodica. Nelle strutture non periodiche saranno presenti stesse cella elementare ma con dimensioni variabili. La cella elementare della struttura principale pu? avere forma geometrica qualunque, ma la struttura in s? deve essere ordinata in maniera tale da lasciare almeno una cavit? in cui inserire l?inserto. La geometria degli inserti pu? essere uguale per tutte le cavit? della struttura o variabile in dimensione e forma per alcune cavit? o in tutte le cavit?. Inoltre, non tutte le cavit? devono necessariamente presentare inserti, in funzione della applicazione finale. In ogni caso, la geometria dell?inserto deve essere sufficientemente grande da non consentire che l?inserto esca dalla propria cavit? ovvero la cavit? lasciata nel reticolo deve essere sufficiente piccola da ingabbiare l?inserto lasciandolo comunque libero di muoversi. Inoltre, in una singola cavit? possono essere anche presenti pi? inserti di forma geometrica e dimensioni uguali o diverse.
I materiali oggetto dell?invenzione possono essere vantaggiosamente utilizzati per la produzione di utensili, dispositivi o strutture resistenti all?usura da taglio (ad esempio antifurti per biciclette e moto, strutture di sicurezza in ambienti di lavoro quali gabbie di protezione al taglio, componenti per giocattoli, etc.) o come acceleratori di scambi termici.
A seconda dell?applicazione del trovato gli inserti possono avere un ruolo diverso all?interno della struttura. Nel caso di realizzazione di strutture resistenti al taglio meccanico, gli inserti durante il taglio oscillano generando un taglio instabile e una accelerazione dell?usura stessa dell?utensile. Il ruolo degli inserti ? di generare un?azione di ostacolo al taglio. Il movimento degli inserti indotto dall?azione di taglio ? per l?utensile stesso deteriorante in quanto gli inserti stessi impartiranno un?azione meccanica sull?utensile che tenderanno ad aumentare il fenomeno vibrazionale del taglio e la temperatura dell?utensile. Questi due aspetti in maniera congiunta aumentano il tasso di usura della lama e il danneggiamento dell?utensile, rendendo il taglio inefficace. Nel caso di taglio tramite tronchese, la presenza degli inserti durante il taglio compatta la struttura rendendola simile al comportamento del materiale monolitico e quindi incrementando la resistenza al taglio. Nel caso di applicazione fluidodinamiche per scambiatori, la presenza degli inserti liberi di oscillare nella cavit? contribuisce ad incrementare la turbolenza del flusso e quindi lo scambio termico.
Descrizione delle figure
La Figura 1 illustra un esempio della struttura in cui la struttura principale ? una octet-truss lattice modificata in cui gli inserti hanno forma sferica.
La Figura 2 illustra i passi successivi del processo di preparazione di una configurazione del materiale comprendente le celle elementari mostrate in figura 1, ripetute in maniera periodica e con un ingombro finale della struttura cilindrica.
La Figura 3 illustra una delle forme geometriche del materiale dell?invenzione.
La Figura 4 illustra un esempio di struttura in Ti6Al4V prodotta mediante tecnologia di laser powder bed fusion.
La Figura 5 mostra alcuni dettagli della struttura mediante immagini allo stereomicroscopio.
La Figura 6 mostra una ricostruzione tridimensionale della struttura effettuata mediante tomografia computerizzata ed una sezione del componente in cui sono visibili gli inserti non connessi alla struttura stessa.
Le Figure 7 e 8 mostrano i risultati ottenuti durante il taglio di una porzione cilindrica di un materiale secondo l?invenzione realizzato in lega di titanio Ti6Al4V.
Si descrive di seguito, a titolo puramente esemplificativo, una forma di realizzazione dell?invenzione relativa a una struttura ad elevate resistenza al taglio per mezzo di utensili meccanici.
Il componente di forma cilindrica ? stato costruito in lega di titanio Ti6Al4V mediante tecnologia additiva di fusione laser a letto di polvere metallica (laser powder bed fusion). Diversi prototipi sono stati costruiti variando la dimensione della cella elementare, ma mantenendo l?ingombro finale del componente cilindrico. La Figura 4 mostra il prototipo con la dimensione di cella elementare maggiore nella condizione as-built (come costruito dalla macchina) sulla sinistra e il rispettivo modello CAD inserito nella macchina di produzione sulla destra.
Si descrivono di seguito, sempre a titolo puramente esemplificativo, le fasi del processo di preparazione di un materiale cilindrico secondo l?invenzione con riferimento alle Figure 2a-2e. Lo stesso processo pu? essere utilizzato anche per la costruzione di altri materiali con forme diverse.
A partire dalla costruzione della cella unitaria reticolare, questa ? periodicamente ripetuta per formare un quadrato di 5x5 celle (fig. 2a). Anche le sfere sono ripetute nell'ordine per riempire lo spazio tra i montanti (struts). Quindi la matrice 5x5 viene tagliata per creare un cilindro con diametro di 13mm (fig. 2b). Vengono eliminate tutte le parti interessate dal taglio (fig. 2c) e successivamente sostituite con nuovi montanti per ricreare la forma circolare (fig. 2d).
Infine, l?elemento ottenuto nell'ultimo passaggio viene ripetuto lungo l'asse z finch? non raggiunge un'altezza di 30 mm (fig. 2e).
Le diverse strutture sono state sottoposte a taglio mediante strumento Bosch metal max AIZ32AT con denti rinforzati in carburo. Per valutare l?efficacia del materiale nel contrastare il taglio meccanico, i denti dell?utensile sono stati misurati prima e dopo il taglio. La Figura 7 mostra la sovrapposizione di una porzione dell?utensile dopo il taglio con la corrispondente area dell?utensile vergine. Il taglio non ? stato completato a causa del danneggiamento della lama e la rottura di oltre il 50% dei denti dell?utensile (figura 8). I denti dell?utensile risultano usurati in maniera sostanziale. Gli inserti presenti all?interno della struttura e messi in moto durante il taglio causano una vibrazione elevata e un aumento della temperatura dell?utensile che comportano un?usura estesa e rilevante su tutta la superficie dell?utensile (figura 8). In analogia agli esperimenti eseguiti sul materiale gerarchico, la figura 8 mostra risultati ottenuti durante il taglio di una porzione cilindrica di un componente realizzato in lega di titanio Ti6Al4V mediante la medesima tecnologia additiva di produzione. L?usura osservata sulla lama di taglio e la temperatura sono inferiori rispetto alla corrispondente struttura gerarchica, mostrando un?effettiva efficacia della struttura in termini di prestazioni.
Claims (9)
1. Un materiale gerarchico caratterizzato da una struttura reticolare in cui all?interno delle porosit? sono presenti inserti, di materiale uguale o diverso da quello della struttura, non vincolati a detta struttura e liberi di muoversi nello spazio all?interno della porosit?, ottenibile attraverso un processo di additive manufacturing.
2. Un materiale secondo la rivendicazione 1 in cui il processo di additive manufacturing ? scelto fra Directed Energy Deposition, Powder Bed Fusion, Selective Laser Melting.
3. Un materiale secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui gli inserti sono dello stesso materiale della struttura.
4. Un materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3 in cui gli inserti sono di forma sostanzialmente sferica.
5. Un materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 costituito da acciaio inossidabile, leghe di cobalto-cromo, leghe di alluminio, leghe di nichel o leghe di titanio.
6. Un materiale secondo la rivendicazione 5 costituito da una lega Ti6Al4V.
7. Un materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 in cui le dimensioni delle porosit? sono comprese 10 mm<3 >e 15 mm<3 >e le dimensioni degli inserti sono comprese tra 0,3 mm<3 >e 0,6 mm<3>.
8. Un materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7 in cui la struttura reticolare ? del tipo ?octet truss?.
9. Utensili o manufatti comprendenti il materiale delle rivendicazioni da 1 a 8.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023047327A1 (en) | 2023-03-30 |
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