È stata recentemente installata presso i laboratori del Dipartimento di Meccanica una unità di cold spray ad alta pressione Impact Innovations 5/8 sotto la responsabilità scientifica del Prof. Mario Guagliano.

Il cold spray, o spruzzatura a freddo, è una tecnica di deposizione delle polveri che, a differenza delle altre tecnologie, non sfrutta l’energia termica ma l’energia cinetica e non richiede, quindi, la fusione delle polveri. Infatti, il processo di cold spray si basa sull’accelerare le polveri metalliche a velocità supersoniche, superiori a un valore critico, per le quali, grazie alla elevata velocità di deformazione plastica e a meccanismi microstrutturali ancora oggetto di dibattito in sede scientifica, si attiva il fenomeno della adesione allo stato solido. Attraverso tale meccanismo le polveri che impattano il substrato rimangono adese e formano progressivamente un rivestimento con spessore crescente. L’unica proprietà richiesta affinché l’adesione abbia luogo è che il materiale sia deformabile plasticamente e presenti, quindi, caratteristiche di duttilità. Ciò rende il cold spray particolarmente attraente in quanto applicabile a alla gran parte dei metalli.
In Figura 1 è schematicamente illustrato il processo: un gas precompresso e preriscaldato viene immesso in un condotto di De Laval e alimenta il flusso di polveri nelle condizioni desiderate per ottenere l’adesione al substrato e costruire progressivamente uno strato con spessore che non presenta limitazioni. Il processo ben si presta, quindi, alla generazione sia di sottili rivestimenti superficiali sia alla costruzione di pezzi massivi.
Il cold spray presenta molte caratteristiche che lo rendono interessante in diversi settori e ne stanno estendendo l’applicazione: ad esempio, l’elevato tasso di deposizione, unitamente al fatto che non c’è bisogno di camere in atmosfera controllata, lo rendono adatto come processo di manifattura additiva, anche per pezzi di grandi dimensioni e materiali sensibili alla temperatura. La possibilità di miscelare polveri differenti, metalliche e non metalliche, permette inoltre lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà funzionalizzate. È poi possibile metallizzare superfici polimeriche senza alcun processo chimico.
Inoltre, è una tecnica che permette di riparare pezzi danneggiati, localmente o in maniera diffusa, ripristinando o migliorando le proprietà iniziali. Per tale motivo ben si colloca nei processi di remanufacturing e di sensorizzazione dei componenti, in ottica Industria 4.0.
“Il mio gruppo di ricerca - dice il prof. Guagliano – si occupa di cold spray ormai da diversi anni, dapprima per la simulazione del processo e la sua ottimizzazione in funzione del materiale, poi per la caratterizzazione sperimentale delle proprietà dei rivestimenti e pezzi ottenuti con il cold spray. Abbiamo coordinato un progetto europeo con tredici partner, tra cui Airbus, per l’applicazione del cold spray per la riparazione di elementi strutturali in campo aeronautico. In questo progetto ci siamo occupati della caratterizzazione meccanica di elementi strutturali danneggiati e riparati con il cold spray, evidenziando la possibilità di ripristinare le originali prestazioni dei componenti.
Recentemente abbiamo avviato, con la supervisione della dott.ssa Sara Bagherifard, ricerche per valutare le proprietà di materiali bimodali spruzzati con il cold spray e per applicazioni di additive manufacturing.
L’installazione dell’impianto 5/8 presso il Dipartimento di Meccanica, permette di completare le nostre competenze sull’argomento e di allargare il cerchio dei programmi di ricerca e delle collaborazioni in cui possiamo dare il nostro contributo.”
Al riguardo, è da poco iniziato il progetto ATLAS (Advanced Design of High Entropy Alloys Based Materials for Space Propulsion), finanziato nell’ambito del programma EC-H2020, in cui il Prof. Guagliano è coordinatore. Il Progetto si occuperà di sviluppare e caratterizzare il processo di cold spray per la deposizione di polveri HEAs (High Entropy Alloys) per migliorare prestazioni ed efficienza dei propulsori spaziali di prossima generazione.
Inoltre, è arrivato a metà tragitto il progetto COSMEC (Cold Spray of Metal-to-Composite, responsabile Prof.ssa Chiara Colombo), finanziato dal MIUR nell’ambito dei progetti di ricerca di interesse nazionale (PRIN). Sono anche iniziate le attività di ricerca con Lucchini RS Group per valutare l’impiego del cold spray in ambito ferroviario per la deposizione di rivestimenti anticorrosione e di riparazione di componenti danneggiati.
Infine, il gruppo di ricerca, con Sara Bagherifard, Chiara Colombo, Asghar Heydari e alcuni studenti PhD, sta anche studiando l’applicazione del cold spray per progettare materiali bimodali con proprietà funzionalizzate e per la generazione di rivestimenti a porosità controllata, per protesi ortopediche, al fine di facilitarne l’osseointegrazione.