Materiali di produzione Metallo 3DEXPERIENCE Make

Metallo

Scoprite cos'è il metallo, un materiale di produzione, e il suo utilizzo nell'industria.

Introduzione al metallo

L'uomo ha fabbricato beni in metallo nel corso dei millenni. A seconda del metallo, gli storici hanno scoperto alcuni oggetti che risalgono a migliaia di anni prima di Cristo.

I metalli sono generalmente materiali duri, opachi e lucidi che presentano una buona conducibilità elettrica e termica. Sebbene circa 91 dei 118 elementi della tavola periodica siano metalli, essi possono essere elementi, composti o leghe. Sono generalmente malleabili e possono essere modellati con il martello o la pressione senza rompersi o incrinarsi. I metalli sono anche fusibili, cioè possono essere fusi e presentano una duttilità che permette di allungarli in un filo sottile. Di conseguenza, i metalli sono una parte essenziale della nostra vita, nei grattacieli, nella costruzione di ponti, nelle automobili, negli elettrodomestici, nei gioielli, negli utensili, nei tubi, nelle ferrovie e in molti altri luoghi.

La metallurgia è la forza trainante del progresso tecnico della lavorazione dei metalli. Il suo scopo è quello di applicare la scienza che sta alla base del metallo all'applicazione più appropriata, ad esempio nei prodotti di consumo e manifatturieri, nei trasporti, nelle ferrovie, nell'aeronautica, nella marina e in molti altri campi. Con l'avanzare della tecnologia di stampa 3D, è aumentata anche la scelta dei metalli applicabili. Per modellare il metallo si utilizzano molti processi diversi, tra cui la fusione, la forgiatura, la laminazione, il rivestimento laser, l'estrusione, la sinterizzazione, la lavorazione, la fabbricazione e la stampa 3D dei metalli per i processi di produzione standard.

Materiali generici in metallo

Alluminio metallo

L'alluminio è un metallo bianco-argenteo, morbido, non magnetico e duttile, appartenente al gruppo degli elementi chimici del boro. Le proprietà più importanti dell'alluminio sono la sua bassa densità e la resistenza alla corrosione grazie al fenomeno della passivazione. È il secondo metallo più comunemente prodotto dopo il ferro, con una produzione globale di 31,9 milioni di tonnellate. L'alluminio e le sue leghe sono fondamentali per l'industria aerospaziale e molto diffusi nei settori dei trasporti e dell'edilizia. Inoltre, l'alluminio viene utilizzato per imballaggi, contenitori per alimenti e bevande, articoli per la casa, pali dell'illuminazione pubblica, piloni delle navi, linee di trasmissione elettrica e molte altre applicazioni.

Cobalto metallico

Il cobalto è un elemento chimico che si trova nella crosta terrestre solo in forma chimicamente combinata, ad eccezione di piccoli depositi presenti nelle leghe di ferro meteorico naturale. L'elemento libero è un metallo duro e lucente, di colore grigio-argento. Fin dall'antichità, i creatori di gioielli e vernici hanno utilizzato pigmenti blu a base di cobalto per conferire una caratteristica tonalità blu al vetro. L'applicazione principale del cobalto è la produzione di leghe ad alte prestazioni utilizzate per le loro proprietà magnetiche, di resistenza all'usura e ad alta resistenza. Inoltre, i produttori di batterie, catalizzatori, pigmenti, coloranti e radioisotopi utilizzano il cobalto.

Ghisa metallica

La ghisa è un gruppo di leghe ferro-carbonio con un contenuto di carbonio superiore al 2%, particolarmente vantaggioso per la sua temperatura di fusione relativamente bassa. Sebbene la ghisa tenda a essere fragile, il suo punto di fusione relativamente basso, la buona fluidità, la colabilità, l'eccellente lavorabilità e la resistenza alla deformazione e all'usura ne hanno fatto un materiale ingegneristico utilizzato in un ampio spettro di applicazioni, tra cui tubi, parti strutturali, macchine e parti dell'industria automobilistica. È inoltre resistente alla distruzione e all'indebolimento per ossidazione. Tra i numerosi elementi di lega vi sono carbonio, silicio, manganese, cromo, molibdeno, titanio, vanadio, nichel e rame.

Acciaio fuso in metallo

L'acciaio fuso è definito come l'acciaio ottenuto dalla fusione della ghisa battuta in crogioli con carbone di legna. È simile alla ghisa, con la principale differenza nel contenuto di carbonio. L'acciaio fuso contiene in genere tra lo 0,1-0,5% di carbonio rispetto alla ghisa, che in genere contiene più del 2% di carbonio. L'acciaio fuso presenta un ritiro maggiore rispetto alla ghisa ed è più difficile da colare. Il ritiro lo rende più suscettibile alle sollecitazioni, il che richiede un processo di ispezione completo durante tutto il processo di colata e un maggiore dispendio di risorse.


Leghe ferrose

Le leghe ferrose, note anche come ferroleghe, sono leghe a base di ferro con un'alta percentuale di uno o più altri elementi come manganese, alluminio o silicio. La produzione di acciai e leghe ne fa uso. Il principale consumatore di leghe ferrose dell'industria siderurgica le impiega per le loro qualità distintive e per le loro funzioni essenziali durante la produzione.


Metallo d'oro

L'oro è un metallo prezioso che, nella sua forma più pura, è brillante, leggermente giallo-rossastro, denso, morbido, malleabile e duttile. Il suo principale impiego industriale è quello di connettore elettrico nei computer e nei dispositivi elettrici, grazie alla sua elevata malleabilità, duttilità, resistenza alla corrosione e alla maggior parte delle altre reazioni chimiche e alla sua conducibilità elettrica. Anche la schermatura a infrarossi, la produzione di vetri colorati, la foglia d'oro e il restauro dei denti utilizzano l'oro. Inoltre, la gioielleria lo utilizza spesso. Alcuni sali d'oro e radioisotopi sono ancora utilizzati come antinfiammatori in medicina e come leghe nell'odontoiatria restaurativa.


Acciaio H

L'acciaio H è un tipo di acciaio europeo, specificamente ottimizzato per "prodotti piatti ad alta resistenza alla trazione".


Leghe bassofondenti metallo

Le leghe bassofondenti, dette anche leghe fusibili, sono facilmente fusibili a temperature relativamente basse. Le leghe bassofondenti sono più comunemente utilizzate come refrigeranti grazie alla loro stabilità al calore. Possono garantire una conducibilità termica molto più elevata rispetto alla maggior parte degli altri refrigeranti, in particolare con leghe realizzate con un metallo ad alta conducibilità termica come l'indio o il sodio. Sono utilizzati anche per il raffreddamento dei reattori nucleari e negli sprinkler antincendio automatici.


Molibdeno metallico

Il molibdeno è un elemento chimico di colore grigio metallico. Non esiste come metallo libero ma in vari stati di ossidazione nei minerali e ha il sesto punto di fusione più alto di qualsiasi altro elemento. Poiché forma rapidamente carburi duri e stabili nelle leghe, l'80% della produzione mondiale di molibdeno è utilizzata nelle leghe di acciaio, comprese quelle ad alta resistenza e le superleghe. La sua applicazione è prevalente negli acciai strutturali, negli acciai inossidabili, nei prodotti chimici, negli utensili, negli acciai ad alta velocità, nella ghisa, nel molibdeno metallo elementare e nelle superleghe. Allo stato elementare puro, il molibdeno è utilizzato anche come fertilizzante, come analizzatore dell'inquinamento nelle centrali elettriche, nella mammografia e nella diagnostica per immagini.


Nichel metallico

Il nichel è un metallo lucido di colore bianco-argenteo con una leggera sfumatura dorata, duro e duttile. Prevalentemente un metallo in lega, l'uso principale del nichel è negli acciai al nichel e nelle ghise al nichel per le sue proprietà di resistenza alla trazione e di tenacità e per il suo limite elastico. I produttori lo utilizzano anche come lega negli ottoni e nei bronzi al nichel e lo legano con rame, cromo, alluminio, piombo, cobalto, argento e oro. Le leghe di nichel più diffuse sono Inconel, Incoloy, Monel e Nimonic. Usato comunemente nelle monete sia in epoca storica che moderna, il nichel è anche utilizzato come lega di acciaio inossidabile nei prodotti di consumo e industriali di uso quotidiano, come i magneti alnici, le batterie ricaricabili, le corde delle chitarre elettriche, le capsule dei microfoni, la placcatura degli impianti idraulici e leghe speciali come permalloy, elinvar e invar. Viene utilizzato anche per la placcatura e come colorante verde nel vetro.


Niobio metallico

Il niobio, precedentemente noto come columbium, è un metallo di transizione morbido, grigio e duttile, spesso presente nel pirocloro e nella columbite. Il Brasile è il principale produttore di niobio e ferronio, una lega di niobio e ferro con un contenuto di niobio del 60-70%. Il niobio è utilizzato principalmente nelle leghe, soprattutto negli acciai speciali utilizzati nei gasdotti. Sebbene queste leghe contengano al massimo lo 0,1% di niobio, la piccola percentuale aumenta la resistenza dell'acciaio. È anche una superlega essenziale per i motori a reazione e a razzo, grazie alla sua stabilità di temperatura. Inoltre, varie leghe superconduttrici contenenti titanio e stagno contengono niobio, ad esempio nei magneti superconduttori degli scanner MRI (Magnetic Resonance Imaging). Altre applicazioni del niobio sono la saldatura, l'industria nucleare, l'elettronica, l'ottica, la numismatica e la gioielleria.


Leghe metalliche non ferrose

Le leghe non ferrose sono leghe che non contengono ferro in quantità apprezzabili. Sebbene siano più costose delle leghe ferrose (di ferro), sono ben note per la loro leggerezza, la maggiore conduttività, la proprietà non magnetica o la resistenza alla corrosione. I metalli non ferrosi più importanti sono l'alluminio, il rame, il piombo, il nichel, lo stagno, il titanio, lo zinco e le leghe di ottone. Sono non ferrosi anche i metalli preziosi come l'oro, l'argento e il platino e i metalli esotici o rari come il cobalto, il mercurio, il tungsteno, il berillio, il bismuto, il cerio, il cadmio, il niobio, l'indio, il gallio, il germanio, il litio, il selenio, il tantalio, il tellurio, il vanadio e lo zirconio.


Platino metallico

Il platino è un metallo di transizione denso, malleabile, duttile, altamente non reattivo, prezioso e di colore bianco-argenteo. La sua scarsità e il suo utilizzo in applicazioni essenziali lo rendono un metallo prezioso costoso. Il platino è uno dei metalli meno reattivi e ha una notevole resistenza alla corrosione, anche ad alte temperature; è quindi un metallo nobile. Le applicazioni del platino includono convertitori catalitici, apparecchiature di laboratorio, contatti elettrici ed elettrodi, termometri a resistenza in platino, apparecchiature dentistiche e gioielli.


Argento metallico

L'argento è un metallo di transizione morbido, bianco e lucente che presenta la più alta conducibilità elettrica, conduttività termica e riflettività di qualsiasi altro metallo. Sebbene sia più abbondante dell'oro, è da tempo classificato come metallo prezioso. Storicamente utilizzato per le monete, oggi l'argento è comunemente usato per produrre monete d'oro. I pannelli solari, la filtrazione dell'acqua, i gioielli, gli ornamenti e le stoviglie sono esempi di applicazioni dell'argento. Il settore industriale utilizza l'argento per produrre contatti e conduttori elettrici, specchi speciali, rivestimenti per finestre e per la catalisi delle reazioni chimiche. La fotografia, i raggi X, i disinfettanti, i cateteri e altri strumenti medici contengono composti d'argento.


Acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile, noto anche come acciaio inox, è una lega di acciaio con almeno il 10,5% di cromo in massa. La proprietà più importante dell'acciaio inossidabile è la sua resistenza alla corrosione. La lega viene fresata in rotoli, lamiere, piastre, barre, fili e tubi prima di essere utilizzata nella produzione di attrezzature per la manipolazione degli alimenti, pentole, posate, strumenti chirurgici, attrezzature industriali, grandi elettrodomestici, architettura, armi da fuoco, stampa 3D e molti altri prodotti.


Acciaio metallico

L'acciaio è una lega di ferro e carbonio e altri elementi. Grazie all'elevata resistenza alla trazione e al basso costo, è uno dei principali componenti utilizzati in edifici, infrastrutture, utensili, navi, automobili, macchine, elettrodomestici e armi. Esistono diverse categorie di acciaio, tra cui l'acciaio lungo, l'acciaio piatto al carbonio, l'acciaio resistente agli agenti atmosferici (COR-TEN), l'acciaio inossidabile e l'acciaio a basso tenore di carbonio.


Tantalio metallico

Il tantalio, precedentemente noto come tantalium, è un metallo di transizione raro, duro, grigio-blu e brillante, altamente resistente alla corrosione. Grazie alla sua inerzia chimica, è una sostanza preziosa per le apparecchiature di laboratorio e un sostituto del platino. Oggi i condensatori di tantalio delle apparecchiature elettroniche come telefoni cellulari, lettori DVD, console per videogiochi e computer ne fanno uso. I produttori lo utilizzano anche per produrre leghe e superleghe per componenti di motori a reazione, apparecchiature per processi chimici, reattori nucleari e parti di missili.


Il titanio metallico

Il titanio è un metallo di transizione brillante, di colore argento, a bassa densità e ad alta resistenza. La sua resistenza alla corrosione in acqua di mare, acqua regia e cloro lo rende uno dei metalli più forti ma costosi utilizzati nella produzione di manufatti metallici. La maggior parte del minerale di titanio viene utilizzato per pigmenti, additivi e rivestimenti dopo essere stato raffinato in biossido di titanio. Inoltre, le industrie aerospaziali e navali utilizzano le leghe di titanio per le loro proprietà di solidità e resistenza, che le rendono adatte per aerei, blindature, navi militari, veicoli spaziali e missili. Grazie alla sua superiore resistenza alla corrosione, le applicazioni industriali del titanio includono tubazioni saldate e apparecchiature di processo (scambiatori di calore, serbatoi, recipienti di processo, valvole) nell'industria chimica e petrolchimica. Anche l'industria della pasta di legno e della carta utilizza il titanio, la saldatura a ultrasuoni, la saldatura a onda e gli obiettivi di sputtering.

Inoltre, il titanio è particolarmente apprezzato nelle applicazioni automobilistiche e motociclistiche, in quanto la sua leggerezza e l'elevata resistenza e rigidità sono essenziali. Gli articoli di consumo prodotti con il titanio includono articoli sportivi, occhiali e gioielli. Tra le applicazioni specializzate del titanio vi sono le industrie mediche e di stoccaggio delle scorie nucleari.


Acciaio per utensili

L'acciaio per utensili si riferisce a vari acciai al carbonio e legati particolarmente adatti alla produzione di utensili. La loro idoneità si basa sull'eccezionale durezza, sulla resistenza all'abrasione e alla deformazione e sulla capacità di mantenere il tagliente a temperature elevate. Di conseguenza, gli acciai per utensili sono adatti a modellare altri materiali, ad esempio per tagliare, pressare, estrudere e coniare metalli e altri materiali. Sono inoltre comunemente utilizzati nella produzione di stampi a iniezione per la loro resistenza all'abrasione, un criterio importante per uno stampo che sarà essenziale per produrre centinaia di migliaia di pezzi di un prodotto o di una parte.


Il tungsteno metallico

Il tungsteno è un elemento libero e un metallo raro che si trova naturalmente sulla Terra, quasi esclusivamente in composti chimici. La robustezza del tungsteno è davvero notevole: ha il punto di fusione più alto di tutti gli elementi, il secondo punto di ebollizione più alto ed è 19,3 volte più denso dell'acqua. Il tungsteno è utilizzato principalmente per produrre materiali duri, in particolare il carburo di tungsteno, oltre che in leghe e acciaio. I produttori di elettronica, di nanofili e di armamenti lo utilizzano. Esistono anche applicazioni come pesi, contrappesi, zavorre in yacht e aerei, auto da corsa di Formula Uno e NASCA.


Zinco metallico

Lo zinco è un elemento chimico che presenta un solo stato di ossidazione normale ed è caratterizzato da un colore bianco-bluastro e brillante. È classificato come un metallo diamagnetico ed è duro e fragile alla maggior parte delle temperature, ma diventa malleabile tra i 100 e i 150 °C. Lo zinco è anche un discreto conduttore di elettricità. Una delle sue applicazioni principali è la placcatura del ferro (zincatura a caldo) per la sua resistenza alla corrosione. Anche le batterie elettriche, le piccole fusioni non strutturali e le leghe come l'ottone ne fanno uso. Lo zinco è una lega standard dell'ottone. Il settore industriale lo produce come composto. Inoltre, è un minerale essenziale per la salute di uomini, animali, piante e microrganismi.


Zirconio metallico

Lo zirconio è un metallo di transizione lucido, grigio-bianco, morbido, duttile e malleabile, solido a temperatura ambiente, ma duro e fragile a purezza inferiore. È altamente resistente alla corrosione da parte di alcali, acidi, acqua salata e altri agenti. Utilizzato principalmente come refrattario e opacizzante, piccole quantità di zirconio sono utilizzate anche come agente di lega per la sua forte resistenza alla corrosione. Le applicazioni ad alta temperatura e biomediche potrebbero utilizzare lo zirconio come composto. L'industria nucleare, spaziale e aeronautica potrebbe utilizzarlo come metallo. L'imaging medico impiega i suoi isotopi.
 

Materiali metallici per i processi di stampa 3D

I metalli per il processo di produzione con stampa 3D hanno delle restrizioni rispetto ai metalli standard.

L'alluminio può essere stampato in 3D con polvere di alluminio sinterizzata insieme da un laser per produrre parti metalliche per uso finale che sono altrettanto valide dei modelli lavorati. Può essere utilizzato per parti funzionali complete, pezzi di ricambio e gioielli. Le due principali tecniche di stampa 3D per l'alluminio sono la sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS) e la fusione laser selettiva (SLM). A differenza del tradizionale alluminio fresato e lucido, l'alluminio stampato in 3D è un po' più grigio e opaco, con una superficie leggermente più ruvida e meno definita. I modelli in alluminio sono robusti, precisi e possono avere dimensioni di feature fino a 0,25 mm.

L'ottone è una lega di rame e zinco, spesso utilizzata negli strumenti musicali per le sue proprietà acustiche e la sua duttilità. Sono molte le applicazioni che cercano un sostituto economico dei metalli preziosi che lo utilizzano. Nella stampa 3D, l'ottone è tipicamente utilizzato per produrre miniature dettagliate, sculture, gioielli o test di prestampa (per adattare la forma prima della realizzazione con oro o argento). L'ottone è un'alternativa economica all'oro. La stampa 3D a cera e la fusione a cera persa sono tecniche utilizzate per realizzare progetti in ottone. Può essere rivestito con una finitura naturale, placcata in oro giallo, placcata in oro rosso o rodiata, cromata o nera.

Il bronzo è una lega a base di rame ed è un materiale economico e robusto per la stampa del metallo. Nella stampa 3D, il bronzo è tipicamente utilizzato per produrre miniature dettagliate, sculture, gioielli o prove di prestampa (per adattare la forma prima di produrre oro o argento). La stampa 3D a cera e la fusione a cera persa sono tecniche utilizzate per realizzare progetti in bronzo. Può essere rivestito con un rivestimento in PU lucido o naturale, oppure lasciato naturale e non rivestito.

Il rame è un metallo morbido, malleabile e duttile, con una conducibilità termica ed elettrica molto elevata. Conosciuto per il suo colore rossastro e l'appannamento verdastro, è conveniente per i modelli di stampa 3D. In genere, il rame viene utilizzato nella stampa 3D per produrre piccoli modelli decorativi come monete, medaglie, connettori o statue. La stampa 3D a cera e la fusione a cera persa sono tecniche utilizzate per costruire modelli in rame. Il rame viene lucidato dopo la stampa 3D, ma è anche molto suscettibile all'appannamento.

Il metallo industriale è adatto per prototipi e parti per uso finale con vari metalli e leghe. I metalli industriali sono sinterizzati al laser da polveri metalliche, tra cui alluminio, acciaio inox, bronzo e cobalto-cromo. È adatto anche per progetti complessi con dettagli intricati, parti meccaniche e parti mobili e assemblate. Lo svantaggio principale è che le cavità all'interno di un piano richiedono l'utilizzo di fori di fuga.

L'oro è per lo più un materiale adatto per la stampa di gioielli in oro massiccio a 14 o 18 carati mescolato con una lega per garantire la durata. I produttori utilizzano la stampa 3D a cera e la fusione a cera persa per produrre modelli in oro. L'oro a 14 e 18 carati può essere stampato in 3D in tre colori dorati: giallo brillante, rosso e bianco.

L'acciaio inossidabile ad alto dettaglio offre un livello significativo di dettaglio e resistenza ai modelli stampati in 3D, rendendolo adatto a figurine in miniatura, gioielli, bulloni, portachiavi, bulloni e molto altro. La tecnica di stampa 3D utilizzata con l'acciaio inossidabile ad alto dettaglio prevede una stampante a getto d'inchiostro di precisione che lega tra loro strati di grani finissimi di polvere di acciaio inossidabile. I servizi di stampa 3D possono eseguire finiture opache, satinate o lucide.

I modelli stampati in 3D in argento sterling sono composti per il 92,5% da argento puro e per il 7,5% da un altro metallo, solitamente rame. L'argento è molto malleabile e presenta un'elevata conducibilità elettrica e termica. L'argento sterling è una lega standard nella produzione di gioielli, che è il campo di applicazione tipico della stampa 3D. Anelli, orecchini e bracciali sono gli oggetti di gioielleria stampati in 3D più comuni. La stampa 3D a cera e la fusione a cera persa sono tecniche utilizzate per produrre modelli in argento sterling. I modelli in argento sterling stampati in 3D possono essere rifiniti con finiture lucide, lucide, antiche, sabbiate o satinate.

I modelli stampati in 3D in acciaio sono stampati in polvere d'acciaio infusa con bronzo. L'acciaio è la forma di stampa in metallo più accessibile, molto resistente e adatta a oggetti di grandi dimensioni. Viene utilizzato soprattutto per produrre parti completamente funzionanti, pezzi di ricambio e gioielli. La tecnica di stampa 3D utilizzata con l'acciaio consiste nel legare insieme strati di polvere d'acciaio. Le opzioni di finitura includono lucidatura naturale, lucidatura dorata, doratura non lucidata, lucidatura nera, lucidatura nera non lucidata o lucidatura marrone.

I modelli stampati in 3D in titanio sono stampati in polvere di titanio sinterizzata insieme da un laser per produrre parti metalliche per uso finale che sono altrettanto valide dei modelli lavorati. Il titanio stampato in 3D è un po' più grigio e opaco, con una superficie leggermente più ruvida e meno definita rispetto al titanio tradizionale fresato a lucido. I modelli in titanio stampati in 3D sono robusti, precisi e hanno dimensioni di 0,25 mm. Sono ideali per la stampa 3D di parti completamente funzionali, pezzi di ricambio e gioielli. Le due principali tecniche di stampa 3D del titanio sono la sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS) e la fusione laser selettiva (SLM).

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