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Aug 11, 2023

Effetto dei parametri di stampa sulla produzione additiva di parti metalliche: aspetti prestazionali e di sostenibilità

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19292 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, gli effetti dei parametri di stampa sulle proprietà meccaniche delle parti metalliche prodotte con la tecnica additiva sono stati studiati utilizzando un test di trazione. I campioni di acciaio inossidabile 17-4 PH con due parametri di stampa, tra cui densità di riempimento e orientamento del modello, sono stati fabbricati mediante produzione additiva (AM) utilizzando la tecnica di deposizione di metalli legati (BMD). Le proprietà meccaniche considerate in questo studio sono il modulo di Young e il carico di rottura a trazione. I risultati dimostrano che gli orientamenti del modello non influenzano il modulo di Young del provino di riempimento con il modello triangolare. Al contrario, la resistenza alla rottura varia significativamente a seconda dell'orientamento del modello, dove i campioni con l'orientamento del modello di zero gradi forniscono la migliore resistenza alla rottura. Infatti, le proprietà meccaniche dei campioni di riempimento aumentano con la loro densità di riempimento. Tuttavia, quando si considerano i costi e i tempi operativi, viene conseguentemente stabilito un indice per la stima delle prestazioni e della sostenibilità. La relazione tra la resistenza ultima normalizzata di un provino di riempimento e la densità relativa è definita come efficienza del peso. L'indice per valutare un prodotto sostenibile è caratterizzato dall'efficienza ponderale rispetto al/ai parametro/i sostenibile/i. L'indice può aiutare gli utenti finali a selezionare una densità di riempimento adeguata per i prodotti AM considerando i costi e i tempi operativi. Diversi modelli di costo, inclusi i costi relativi ai soli materiali, i costi diretti e i costi totali, possono essere inclusi nel modello di indice per valutare un prodotto sostenibile in un particolare contesto di costo.

La proliferazione dello sviluppo umano nel ventunesimo secolo comporta un cambiamento fondamentale nella rivoluzione tecnologica e nella vita umana, noto come Quarta Rivoluzione Industriale o Industria 4.0. La civiltà è sull’orlo di una nuova rivoluzione industriale per aumentare le prestazioni industriali globali e migliorare la qualità della vita in tutto il mondo, guidata dalle moderne tecnologie di produzione e dai sistemi informativi. Una nuova generazione di sistemi di produzione può fornire processi e tecnologie ottimali, ad esempio intelligenza artificiale, robotica, Internet delle cose e produzione additiva (AM), per una produzione flessibile con guadagni a lungo termine in termini di efficienza e produttività1,2,3. Tra i progressi tecnologici, l’AM è considerato un processo di produzione cruciale che guida l’Industria 4.0. L'AM è una tecnica di produzione per fabbricare parti da un file di progettazione assistita da computer (CAD) tridimensionale (3D), noto anche come stampa 3D. Consente la fabbricazione senza sforzo di parti complesse con forme a forma libera mediante un processo strato per strato4. Questa tecnica comporta meno materiale di scarto nel processo di produzione rispetto ai tradizionali processi sottrattivi, ad esempio, macchine a controllo numerico computerizzato (CNC), getti d'acqua e taglio laser. Poiché le parti AM possono essere progettate con maggiore libertà di forma e meno scarti di produzione, l’AM può essere applicata come un nuovo processo di produzione per prodotti progettabili e personalizzabili, creando potenzialmente un nuovo modello di business.

Oltre ad essere una tecnologia trainante dell’Industria 4.0, l’AM può essere considerata una tecnologia sostenibile per l’ambiente poiché la tecnologia fornisce meno materiale di scarto e può utilizzare materiale riciclato nella produzione. Si tratta di un processo produttivo in grado di ridurre notevolmente le emissioni globali di gas serra. La massiccia produzione di materie prime nei settori industriali e il loro potenziale impatto ambientale possono essere potenzialmente ridotti utilizzando le tecnologie AM. In tal caso, l’AM può offrire opportunità per aumentare la sostenibilità ambientale in vari settori. Precedentemente la sostenibilità veniva definita enfatizzando l’aspetto ambientale. Attualmente la definizione comprende anche aspetti sociali ed economici, affrontati anche dalla tecnologia AM5. Facendo riferimento ai principi 6R (ridurre, recuperare, riciclare, riutilizzare, riprogettare e rigenerare)6, l'AM offre una possibilità per lo sviluppo sostenibile, migliorando gli impatti sociali ed economici dell'intero ciclo di vita del prodotto7,8. L’AM consente lo sviluppo simultaneo della conservazione ambientale e della crescita economica, ottimizzando così i consumi e preservando le risorse per la vita umana. Alla luce dei meccanismi dello sviluppo economico, economia circolare e utilizzo delle risorse sono sostanzialmente correlati. Se il consumo di materiali ed energia nelle industrie potesse essere ridotto e controllato, i modelli di business tradizionali potrebbero presto essere trasformati in modelli di economia circolare sostenibili1,9.