interno di forno per brasature in vuoto, si vede una griglia di supporti metallici, la resistenze per il riscaldamento e due coampioni di rame a cui sono collegate delle termocoppie

11 Giu La fisica di base come motore di sviluppo tecnologico: il caso della meccanica avanzata

Posted at 10:00h in Dal laboratorio al mondo by Diego Tonini

Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro e la sezione di Padova dell’INFN, la necessità di sviluppare soluzioni tecnologiche avanzate per gli acceleratori di particelle ha favorito la creazione di conoscenze e metodi di lavorazioni dei materiali con profonde ricadute sul tessuto industriale

Brasature sotto vuoto, trattamenti di superficie avanzati, manifattura additiva, sono solo alcuni dei servizi ad alto contenuto tecnologico presenti ai Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN e presso la Sezione INFN di Padova. Strumenti e metodi pensati per risolvere i problemi posti dalla ricerca di base che possono trovare applicazioni pratiche anche in campi diversi, dall’industria meccanica alle scienze della vita, dall’aerospazio all’energia.

Dalla fisica di base alla tecnologia dei materiali

La ricerca scientifica richiede apparati sperimentali complessi: acceleratori sempre più potenti e rivelatori ad alte prestazioni sono fondamentali per l’avanzamento della conoscenza, ma spesso hanno bisogno di soluzioni realizzative del tutto nuove che devono essere inventate da zero. Al lavoro scientifico quindi si affianca quello tecnico che l’INFN affronta non solo progettando e costruendo in casa i propri strumenti, ma anche sviluppando e inventando metodi di costruzione e lavorazione.

La sfida tecnologica inizia dai materiali. Il cuore di un acceleratore è la costituito dalle cavità, “tubi” metallici opportunamente sagomati a cui viene applicato il campo a radiofrequenza che accelera il fascio di particelle. Costruire questi oggetti con le tradizionali tecniche di lavorazione dei metalli è un processo complesso e costoso, perciò si cercano continuamente nuove strade.

Presso la Sezione di Padova dell’INFN è attivo il laboratorio DIAM (Developments and Innovations on Additive Manufacturing), dedicato alo sviluppo tecnologico della manifattura additiva di rame e metalli ad alto punto di fusione, come il niobio, un metallo superconduttore che viene usato per le cavità acceleratrici.

L’attività del DIAM non è però limitata ai componenti per acceleratori ma spazia anche alla realizzazione di oggetti metallici complessi per varie applicazioni. Il know-how maturato nella manifattura additiva di metalli altofondenti, come niobio e tantalio, che sono tipicamente difficili da lavorare e quindi raramente trattati da officine e servizi di stampa 3D commerciali, può essere impiegato in settori industriali avanzati, come l’aerospazio o la fusione nucleare, dove questi materiali rivestono sempre più importanza.

Passare dalla manifattura tradizionale a quella additiva non richiede solo un cambio di strumentazione ma implica anche un ripensamento del modo con cui il pezzo viene disegnato, in modo da sfruttare tutti i vantaggi della nuova tecnica costruttiva. Le competenze del DIAM, quindi, vanno oltre la semplice conoscenza dei parametri di processo ma si estendono a tutte le fasi di lavorazione, dal design for additive in fase di progettazione alla scelta dei corretti processi di post-lavorazione.

Sia che venga realizzata con tecniche tradizionali che per additive manufacturing, una cavità acceleratrice richiede finiture superficiali dalle specifiche molto stringenti: rugosità bassissima e quasi totale assenza di difetti o contaminazioni sono necessarie per sostenere gli alti campi elettrici che generano il fascio di particelle.

Le tecniche di lucidatura chimica ed elettrochimica comunemente usate funzionano, ma sono lente e fanno uso di acidi concentrati, la cui manipolazione è rischiosa per l’operatore e l’ambiente. Per questo motivo, ai Laboratori Nazionali di Legnaro, il Servizio Tecnologia delle Superfici e Superconduttività ha migliorato una tecnologia esistente ma scarsamente utilizzata, l’elettrolucidatura al plasma, ideando e brevettando nuove ricette che fanno uso di soluzioni a bassa concentrazione di sali, più sicure da maneggiare e meno impattanti per l’ambiente. In questo modo è stato possibile ottenere ottimi risultati di lucidatura con un processo più veloce, sicuro e green.

Concepiti inizialmente per il rame e il niobio, questi metodi si possono applicare anche su metalli preziosi, titanio e acciaio inox, aprendo la strada al loro utilizzo nel settore orafo e in quello della lucidatura di componenti estetiche o funzionali.

Il Servizio Tecnologia delle Superfici e Superconduttività ha anche una grande esperienza nella deposizione di ricoprimenti sottili con tecniche PVD (Physical Vapor Deposition) basate su plasmi, come lo sputtering, l’high power pulsed magnetron sputtering e la deposizione per arco catodico. Originariamente impiegate nel campo degli acceleratori, accoppiando a una cavità in rame uno strato sottile di niobio superconduttore depositato sulla sua superficie interna, queste tecnologie sono state estese a diverse applicazioni e ora il laboratorio possiede le conoscenze teoriche e pratiche per realizzare rivestimenti di un’ampia gamma di materiali, dai ricoprimenti multistrato spessi antiusura fino ai coating trasparenti antiriflesso, passando per ricoprimenti metallici e ceramici funzionali o decorativi.

Vuoto e alte temperature per saldare i materiali

La costruzione di un apparato sperimentale richiede spesso pezzi dalla forma complessa, materiali non comuni e accoppiamenti fra materiali fra loro non saldabili. In questi casi si ricorre alla brasatura, cioè a un processo in cui le due parti sono unite fra loro mediante l’apporto di un terzo materiale con temperatura di fusione più bassa dei pezzi da unire.

I Laboratori Nazionali di Legnaro possiedono uno speciale forno in vuoto costruito specificamente per le brasature. L’utilizzo di un forno, anziché di un riscaldamento localizzato, permette di ottenere un riscaldamento uniforme di tutto il pezzo, così da non generare distorsioni o stress residui dovuti a gradienti termici. È anche possibile raggiungere temperature elevate necessarie per leghe brasanti speciali ad alto punto di fusione.

Il riscaldamento in vuoto, invece, garantisce l’assenza di contaminazioni e ossidazioni del pezzo, condizione importante per la brasatura ad alta temperatura di particolari con impieghi speciali. In tal modo sono possibili giunti di qualità elevata e controllabile. Il forno inoltre può essere usato per una serie di trattamenti termici sui materiali metallici come ricottura, rinvenimento, distensione e tempra.

Avanzare nella ricerca sviluppando la tecnologia

Sia che si tratti del miglioramento di qualcosa di esistente che della creazione di soluzioni completamente nuove, ciò che contraddistingue l’INFN è l’essere non solo un ente di ricerca dal valore scientifico riconosciuto in tutto il mondo, ma è anche un fornitore di tecnologie avanzate e partner affidabile nelle collaborazioni tra pubblico e privato.