Strutture complesse metalliche prodotte mediante Investment Casting
Creators: name: Viganò, Davide
Publisher: name: Scuola Universitaria della Svizzera Italiana (SUPSI)
Year: 2021

description: Lo svolgimento di questo progetto di diploma ha permesso di approfondire gli studi relativi alle superfici minime triplamente periodiche (TPMS) con architettura di Giroide e, al contempo, quelli riguardanti la resina polimerica fotosensibile (slurry) a base Ossido di Silice (SiO2), ideata nel laboratorio di materiali ibridi del MEMTi,SUPSI. Le strutture complesse in esame sono particolarmente interessanti in quanto sono in grado di produrre elevate turbolenze senza causare ingenti cadute di pressione dei flussi che le attraversano. Ciò permette di aumentare l’efficienza di scambio termico e di conversione. Lo scopo del lavoro è quello di realizzare le strutture Giroide in materiale metallico, mediante il processo di fusione a cera persa (Investment Casting). Per fare ciò, si produce via Additive Manufacturing uno stampo in ceramica che replica il negativo della struttura metallica. Dopodiché, si procede a posizionare il metallo al di sopra di questo stampo e a fonderlo in forno a temperatura ed atmosfera controllate. Esso andrà quindi a riempire le cavità sottostanti e, solidificando, riprodurrà la forma desiderata. Il ceramico viene infine dissolto immergendolo in una soluzione basica (KOH dissolto in acqua) portata ad ebollizione (operazione detta “leaching”). Il metallo scelto è rame in gocce di diametro variabile tra i 2 mm e i 5 mm. Esso è ritenuto particolarmente adatto per il processo da attuare e per i futuri impieghi avendo una temperatura di fusione non particolarmente elevata (1085°C) ed ottime proprietà di conducibilità termica ed elettrica. Come linea guida per la ricerca della geometria del Giroide è stato prefissato l’obiettivo di raggiungere la macroporosità massima della struttura. Prima di procedere con la campagna degli esperimenti, sono stati effettuati degli studi preliminari per individuare i parametri maggiormente influenti e i corrispondenti range di interesse. Al contempo si sono distinti i responsi significativi e se ne è stabilito il metodo di valutazione. I fattori selezionati sono:  Lunghezza della cella del Giroide  Spessore delle pareti del Giroide (Thick)  Quantitativo in wt% di rame supplementare I primi due parametri sono strettamente legati alla geometria della struttura complessa. L’ultimo, invece, è stato identificato appurando che a parità di geometria, aumentando la quantità di rame posizionata al di sopra dello stampo, il risultato ottenuto è nettamente migliore. Successivamente si è proseguito con l’attività sperimentale ufficiale. Servendosi della metodologia della programmazione degli esperimenti (DoE) i fattori sono stati combinati secondo gli intervalli prestabiliti. La lunghezza della cella è stata modificata nei range 7 - 20 mm, lo spessore da 2 mm a 3,8 mm e il quantitativo di rame supplementare da 20 wt% a 120 wt%. I responsi analizzati durante l’implementazione del piano sono i seguenti:  Macroporosità del Giroide (%)  Integrità/conformità degli oggetti stampati tramite SLA e dei rispettivi sinterizzati  Successo dell’Investment Casting (%)  Successo del leaching  Successo del processo globale (votazione) È stata individuata una struttura dotata di buona qualità e macroporosità, caratterizzata da lunghezza della cella di 15.7 mm, Thick di 2.6 mm e quantitativo di Cu supplementare pari al 70 wt%. La porosità è del 50.7%. Inoltre sono stati condotti ulteriori studi finalizzati al miglioramento del processo produttivo e all’ottenimento di geometrie più porose. Ci si è focalizzati su modalità che facilitino la pulizia dei verdi, sull’influenza della rifusione sul Casting e sull’utilizzo del rame sotto forma di polvere. Inoltre, sono state implementate ulteriori geometrie massimizzando la macroporosità. Il risultato più interessante è stato ottenuto realizzando il Giroide 21_CELL16_THICK1.8_D19_H19_Cu200 (caratteristiche dei fattori presenti nella nomenclatura), dotato di ottima qualità superficiale e una porosità pari al 65,83%.