Machinability of Ti6Al4V alloy produced by electron beam melting under different lubricating conditions

Nell'ultimo decennio la crescente diffusione delle moderne tecnologie di formatura additiva da polvere metallica sta rivoluzionando i processi produttivi dei più avanzati settori manifatturieri. Oggigiorno, sempre più aziende operanti nel settore aeronautico e biomedicale stanno impiegando la tecnologia additiva denominata “Electron Beam Melting” per realizzare protesi ortopediche e componenti di motori aeronautici in lega di Ti6Al4V, tradizionalmente ottenuti per forgiatura e lavorazioni alle macchine utensili. Grazie a tale tecnologia, è possibile realizzare un componente di forma complessa, con proprietà geometriche e meccaniche taylorizzate, passando direttamente dal disegno al prodotto semi finito senza passaggi intermedi, abbattendo i costi di produzione. Tuttavia, lavorazioni alle macchine utensili di finitura sono tuttora necessarie per eliminare la porosità superficiale intrinseca a tale tecnologia e per ottenere una qualità superficiale e una precisione dimensionale non raggiungibili altrimenti. Al fine di ottimizzare la lavorazione meccanica e non indurre danneggiamenti superficiali al prodotto finito che ne inficiano la vita di servizio, è fondamentale conoscere la lavorabilità del materiale. Allo stato attuale, molti lavori di carattere scientifico e industriale sono stati condotti per migliorare la bassa lavorabilità della lega Ti6Al4V lavorata a caldo, grazie a una forte domanda dal settore aeronautico, ma non sono reperibili documenti e informazioni tecniche fruibili sul comportamento della lega prodotta per Electron Beam Melting, che manifesta differenti proprietà microstrutturali e meccaniche. Nel campo biomedicale, le protesi ortopediche in lega di Ti6Al4V sono lavorate alle macchine utensili applicando abbondante lubrificazione, realizzata con emulsioni di olio sintetico o vegetale e acqua. Al fine di rimuovere le sostanze tossico-inquinanti lasciate dalla lavorazione sui prodotti finiti, costose operazioni di lavaggio e sterilizzazione sono eseguite a fine processo. Nasce quindi l’esigenza di rivisitare le tradizionali strategie di lubrificazione impiegate nei processi di asportazione di truciolo in campo biomedicale, proponendo una soluzione che soddisfi dei requisiti tecnologici (bassa lavorabilità della lega), ambientali (fluido lubrificante non inquinante e tossico per l’uomo) ed economici (che riduca i costi di lavaggio e sterilizzazione). In questa tesi di dottorato, un sistema di lubrificazione criogenico è stato implementato per realizzare la tornitura della lega Ti6Al4V EBM, come alternativa da applicarsi in campo biomedicale. La lavorabilità della lega è stata investigata mediante un approccio sperimentale, valutando gli effetti di tre regimi di lubrificazione: a secco, lubrificante standard e mediante azoto liquido; e dei parametri di taglio, valutando l’usura dell’utensile, l’integrità superficiale e la morfologia del truciolo. In seguito un modello numerico agli elementi finiti è stato sviluppato per simulare il processo di tornitura su tale lega, capace di predire gli effetti di diversi parametri di processo. Visti i benefici apportati dalla lubrificazione criogenica sull'integrità superficiale di componenti torniti di Ti6AL4V EBM, l’applicabilità di tale tecnologia in campo biomedicale è stata validata mediante delle prove di usura: la resistenza all’usura del materiale è risultata notevolmente incrementata con minor rilascio di particelle metalliche. In fine, la tornitura criogenica è stata applicata nella lavorazione di reali coppe acetabolari, comparandone gli effetti con le più tradizionali strategie di lubrificazione. I positivi risultati in termini di miglioramento della lavorabilità, di resistenza all'usura accompagnati da soddisfacente precisione dimensionale, fanno intravvedere un’efficiente applicazione della tornitura criogenica in campo biomedicale negli anni futuri.