L’Additive Manufacturing o produzione additiva di parti metalliche per strati è, indubbiamente, un’incredibile impresa ingegneristica. Per fondere selettivamente uno strato di metallo spesso poche decine di micron sull’altro, si utilizzano fasci di elettroni o laser ad alta precisione, che si muovono ad alta velocità. Questa tecnica ha la capacità di produrre parti con funzionalità innovative utilizzando molto meno materiale rispetto alle tecniche tradizionali di produzione sottrattiva. Ma ha i suoi punti deboli, non ultimo l’eccesso di materiale inutilizzato nei processi Powder Bed Fusion (PBF).

Figure 1. Raffigurazione di un processo a letto di polvere per Additive Manufacturing

Limitazioni commerciali

Le polveri di lega pregiata sono costose, 300 € e oltre al Kg, e si stima che contribuiscano fino a 1/3 del costo totale di produzione. Pertanto, per realizzare il potenziale commerciale dei processi di Powder Bed Fusion, la polvere deve essere riciclata il più possibile. Tuttavia il riutilizzo continuo della polvere rischia di influire sulla qualità costruttiva, con conseguenti potenziali difetti nella parte prodotta e possibili  guasti prematuri – un’ulteriore spesa indesiderata, ma anche un grave rischio per la sicurezza a seconda dell’uso finale della parte stessa.

Sebbene non esista un approccio standard per determinare se una polvere è adatta per il riutilizzo, esistono numerose tecniche analitiche che possono essere utilizzate per valutare la qualità della polvere ed è qui che Malvern Panalytical può aiutare.

Impaccamento e scorrevolezza

Figura 2. Flusso di polvere atto a formare un letto di polvere ad alta densità di impaccamento e l’effetto sulle pozze fuse (melt pools). Immagine adattata da Y.S. Lee e W. Zhang, Simulazione del trasferimento di calore e della scorrevolezza nella laser powder bed additive manufacturing 26th Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, 2015

Nella Powder Bed Fusion, strati successivi di polvere vengono distribuiti sulla piattaforma di costruzione per formare un letto di polvere che viene poi fuso in punti specifici atto a creare un unico livello della struttura 3D. Ne consegue che eventuali disomogeneità nel letto di polvere porterebbero anche a disomogeneità nella parte finale. In termini pratici, la densità di impaccamento della polvere dovrebbe essere sufficientemente elevata da fornire la quantità richiesta di metallo per fondere lo strato ed evitare porosità indesiderate. Inoltre, per garantire un componente uniforme, la polvere metallica deve distribuirsi migliaia di volte in maniera consistente e coerente sulla piattaforma di costruzione. Queste due proprietà, densità di impaccamento e flusso di polvere, sono controllate dalla dimensione e dalla forma delle particelle che possono essere misurate mediante diffrazione laser e analisi automatizzata di immagine.

L’apparecchio per la misura di forma e dimensione di particelle Morphologi 4 della MalvernPanalytical è ideale per indagare le differenze morfologiche delle polveri metalliche dovute al riciclaggio e classificare e confrontare i campioni in base a la loro forma, come mostrato di seguito.

Figura 3. Classificazioni delle particelle basate sui parametri di forma. Le classificazioni vanno da altamente sferiche ad agglomerate, parametro correlabili alla scorrevolezza e alla densità di impaccamento.

Ciò mostra come cambiano le caratteristiche delle particelle in termini di forma e dimensione, durante il riciclaggio e come sia possibile utilizzare l’analisi automatizzata di Immagine per ottimizzare il processo di atomizzazione. Molte aziende, come ad esempio la Wall Colmonoy, utilizzano Morphologi 4 per confrontare e migliorare i propri processi e prodotti attuali.

Quindi, in conclusione, controllando la morfologia delle particelle, possiamo garantire che la quantità corretta di materiale possa passare dalla tramoggia di alimentazione alla piastra di costruzione e che venga formato un letto di polvere denso con il minimo spazio vuoto.

Guarda il video del Morphologi 4 in azione!