Come la scienza dei materiali sta facendo avanzare il futuro della produzione

Disciplina intersettoriale indispensabile per il progresso della progettazione e della produzione dei prodotti, la scienza dei materiali è un campo definito dall'innovazione e dal pensiero creativo.

Si concentra sul comportamento dei materiali a tutti i livelli, compreso il modo in cui le microstrutture e la disposizione dei singoli atomi e molecole possono influenzare in modo significativo il comportamento di un materiale e come una struttura può essere manipolata per influenzare le prestazioni desiderate.

Situata all'intersezione tra ingegneria, fisica e chimica, la scienza dei materiali è una considerazione fondamentale nello sviluppo di nuovi prodotti, che spesso si traducono in proprietà sofisticate e uniche.

La scienza dei materiali approfondisce le relazioni tra le conoscenze fisiche e chimiche e il modo in cui materiali diversi, dai metalli ai polimeri, dai compositi ai nanomateriali, possono essere progettati per ottenere prestazioni migliori.

Ciò può includere vantaggi commercialmente vantaggiosi come processi di produzione più efficienti, estensione della vita di una parte e ridotta manutenzione fino a benefici sociali più fondamentali come migliori risultati sanitari e una maggiore sostenibilità energetica e ambientale per consentire l’eccellenza sportiva e la tecnologia aerospaziale.

Influenzare la microstruttura di un materiale può portare ad alcuni comportamenti notevoli, inclusa la flessibilità del materiale, ad esempio fino a che punto il materiale può essere allungato o piegato.

Può anche influire sulla durezza di un materiale, rendendolo più resistente alla corrosione o sulla sua capacità di condurre elettricità o calore.

Un esempio perfetto, di cui parleremo più avanti, sono le leghe a memoria di forma, ovvero i metalli che possono essere piegati e riportati alla loro forma originale applicando calore.

Un tempo pensata principalmente per la prototipazione, la produzione additiva è sempre più impiegata nello sviluppo di pezzi di ricambio, produzione di piccole serie e attrezzature in settori manifatturieri lungimiranti come quello aerospaziale, elettronico, automobilistico e dei dispositivi medici.

Tra le industrie all’avanguardia nella produzione innovativa, il settore medico è emerso come un segmento importante che guida la crescita della produzione additiva.

Fondendo le polveri metalliche strato dopo strato, utilizzando diverse tecniche di sinterizzazione o basate sul laser, la produzione additiva può costruire componenti complessi che in genere sarebbero molto impegnativi, se non impossibili, con metodi di produzione sottrattiva più tradizionali.

I vantaggi della produzione additiva includono maggiore libertà di progettazione e personalizzazione, migliore resistenza e funzionalità del prodotto, tempi di assemblaggio ridotti per componenti complessi, produzione localizzata, rapido time-to-market, mitigazione degli sprechi, ridotta obsolescenza, minore dipendenza dai fornitori tradizionali e persino la creazione di nuovi materiali con proprietà meccaniche e comportamentali uniche.

La maggior parte delle parti prodotte con la produzione additiva sono realizzate con leghe, sia convenzionali che nuove. Tuttavia, in questo modo vengono prodotte pochissime parti in lega che hanno la stessa qualità o mantengono le stesse proprietà meccaniche offerte da leghe simili se prodotte tramite un processo convenzionale come la forgiatura.

Il loro comportamento non risponde in modo simile, in gran parte a causa della rapida fusione e solidificazione a cui sono sottoposti nel processo di produzione additiva.

Poiché l’industria della produzione additiva ha dovuto affrontare la sfida di conservare o addirittura migliorare le caratteristiche delle leghe metalliche, si è rivolta alla scienza e all’ingegneria dei materiali per consentire lo sviluppo di parti in lega con proprietà meccaniche superiori.

Scoperto oltre 50 anni fa, il nitinol (NiTi) è una lega metallica particolarmente preziosa che ha rivoluzionato numerosi settori.

Realizzato al 50% in nichel atomico e al 50% in titanio atomico, ha proprietà uniche, tra cui la superelasticità e l'"effetto memoria di forma", ovvero può cambiare forma a seconda della temperatura. Questo comportamento speciale vede ora il nitinol sempre più utilizzato nei settori medico, dentale e aerospaziale.

Il nitinol è un materiale eccellente per la creazione di componenti per dispositivi medici minimamente invasivi, come fili guida, cateteri e stent. Quando i professionisti medici devono spostarsi in aree particolarmente strette, il nitinol ha sia la flessibilità di cambiare forma in base alle necessità, sia la resistenza per sopportare carichi elevati.