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L’Additive Manufacturing (in Italiano Tecnologia additiva o ancora Stampa 3D) è ormai una tecnologia alternativa per la fabbricazione di componenti e prodotti in svariati settori quali Aeronautico, Automotive, Biomedicale, Ceramico e molti altri.
La tecnologia additiva, in opposizione alle metodologie di produzione sottrattiva (lavorazioni per asportazione di truciolo, taglio e foratura), descrive una serie di processi produttivi che consentono di realizzare oggetti tridimensionali a partire da un modello di progettazione computerizzato (CAD 3D), depositando progressivamente materiale stato su strato (ca. 20-100 um).
Le tecnologie additive forniscono numerosi vantaggi per la produzione di prodotti commerciali, tra i quali la riduzione dei costi di produzione e minore spreco di materiale, e di conseguenza un ridotto impatto ambientale. Ulteriori vantaggi sono:
Esistono diverse tecniche di produzione additiva, che possono essere classificate nelle seguenti categorie:
La scelta della tecnica produttiva dipende in parte dal materiale da trattare che può essere: materiali termoplastici, gomma, silicone RTV, polveri metalliche, qualsiasi lega metallica, acciaio inossidabile, alluminio, polveri di ceramica, gesso, argilla, porcellana amidi, carta, fogli metallici, film plastici, fotopolimeri, etc.
Entrando nello specifico nel caso delle polveri metalliche esistono 2 categorie di tecnologie:
La qualità del materiale di partenza è uno degli aspetti fondamentali dell’Additive manufacturing. Ad esempio l’inconsistenza delle polveri metalliche commerciali può generare problemi in produzione e quindi necessita di un severo controllo qualità delle materie prime di partenza. Inoltre vanno valutati i seguenti aspetti nella scelta delle polveri metalliche di partenza:
A tal fine assume fondamentale importanza la possibilità di misurare le principali caratteristiche delle polveri metalliche in termini di: dimensione e forma delle particelle, densità reale e apparente, area superficiale, porosità, reologia (scorrevolezza, impaccamento…) e composizione chimica. Il controllo di tutte le suddette proprietà è essenziale per evitare fenomeni di intasamento delle testine, garantire una diffusione uniforme della polvere all’interno del letto, una cinetica di sinterizzazione/fusione adatta e quindi un prodotto finale robusto e con superfici prive di rugosità superficiale e difetti.
Inoltre, la microstruttura dei prodotti finiti può essere molto diversa a causa del processo di fabbricazione strato per strato. Ad esempio, possono formarsi tensioni interne che devono essere eliminate con un trattamento termico; inoltre, la composizione e la morfologia dei precursori delle polveri hanno un impatto significativo sulla qualità dei prodotti finiti.
In funzione quindi del materiale di partenza utilizzato, esistono tecniche diverse atte a caratterizzarne le proprietà o controllare il manufatto.
Parlando di polveri metalliche, per ottenere misure accurate, riproducibili e statisticamente rappresentative delle materie prime vergini e usate diventa indispensabile l’uso di strumenti e tecniche complementari quali: granulometria a diffrazione laser, imaging morfologico, picnometria a elio, reologia per polveri, porosimetria a gas e microscopia a scansione elettronica e microanalisi (SEM+EDX).
Più nello specifico, il granulometro laser permette una misura immediata della dimensione delle particelle metalliche, verificando la corrispondenza con i valori indicati dai fornitori e garantendo che tale parametro rimanga costante nei vari utilizzi, tramite un’analisi veloce e estremamente ripetibile.
Spesso, a parità di particle size, le polveri si comportano in maniera differente: questo perché i parametri di forma influenzano la qualità del prodotto finito. Uno strumento di imaging statico come il Morphologi 4 Malvern può garantire un risultato rapido e statisticamente robusto su decine di migliaia di particelle per verificare la circolarità delle polveri, l’eventuale presenza di satelliti e verificare la presenza di contaminazione, con possibilità di accoppiare la misure a una sonda Raman.
Se vuoi saperne di più leggi gli approfondimenti:
Metallurgia delle Polveri: soluzioni di caratterizzazione della polvere – Alfatest
Confronto di polveri metalliche da processi di atomizzazione differenti
Altre tecniche potenzialmente interessanti sono la picnometria ad elio, sia sulle polveri di partenza che sul manufatto, per verificare la densità e quindi la purezza del materiale, così come la porosimetria a gas può essere utile per verificare il materiale di partenza.
Uno strumento unico nel suo genere è invece il reometro per polveri FT4, adatto a caratterizzare la capacità di scorrimento delle polveri.
Se vuoi saperne di più leggi gli approfondimenti:
Soluzioni per la caratterizzazione delle polveri metalliche
Le tecniche possono essere combinate per una valutazione a 360° della polvere. Parlando invece di microscopia SEM, lo strumento si presta a un’indagine del materiale sotto diversi punti di vista. Permette di acquisire:
Questo tipo di controllo è un processo iterativo: verifico la mia materia prima, verifico la resa dell’oggetto stampato e nel caso ricontrollo la materia prima e nel frattempo verifico anche se la polvere usata possieda caratteristiche idonee al riutilizzo.
Nel caso in cui caratterizzi la polvere, sia che essa sia un materiale nuovo ma di un nuovo fornitore, una nuova leghe o il medesimo materiale ma ottenuto con un diverso sistema di produzione, tramite microscopia SEM posso verificare:
L’analisi di dimensione e forma delle particelle può essere anche studiata tramite software di analisi automatizzata di immagine, come il software Thermo Fisher Scientific ParticleMetric e combinato a un sistema di dispersione ad hoc.
Se vuoi saperne di più, leggi l’approfondimento: L’utilizzo del SEM per la caratterizzazione di particelle
Poiché le particelle di contaminanti presenti nelle polveri metalliche possono fungere da nuclei di deformazione, portando alla rottura del prodotto finito le polveri metalliche possono anche essere sottoposte ad analisi automatizzata SEM/EDS, tramite software dedicati come ParticleX Thermo Fisher Scientific.
Vuoi approfondire? leggi Additive Manufacturing | Quality Control | Thermo Fisher Scientific
Una volta stampato un oggetto, si può anche caratterizzare il prodotto e ottimizzare il processo di produzione con misure di:
Dato che la microstruttura degli oggetti metallici ottenuti tramite Additive Manufacturing può essere diversa da quella del metallo o della lega ottenuta con tecniche tradizionali, con conseguenti proprietà meccaniche diverse, l’analisi SEM EBSD può rivelare le deformazioni e le sollecitazioni interne lungo le interfacce e la struttura granulare del materiale, mentre l’EDS può essere utilizzata per identificare e classificare le impurità e i precipitati, analogamente alla classificazione delle inclusioni non metalliche nei prodotti in acciaio e alluminio fabbricati tradizionalmente.
In questo senso uno strumento quale Axia ChemiSEM può combinare sonde di analisi meno routinarie con software quali ParticleX Steel per analisi automatizzate.
Se vuoi saperne di più, leggi l’approfondimento: Imaging con SEM delle polveri metalliche per uso Additive Manufacturing
Oltre alla microscopia SEM, si possono impiegare strumenti AFM sulle superfici sezionate mediante microtromo per rivelare i cambiamenti microstrutturali dovuti al processo di produzione additiva ed evidenziare i processi di distensione che determinano l’integrità strutturale del materiale finito.
Anche la caratterizzazione della nano-struttura dei materiali realizzati mediante additive manufacturing può rappresentare un elemento fondamentale nel processo di scale-up dalla prototipazione alla produzione di parti su scala industriale. La microscopia a forza atomica (AFM) rappresenta una tecnica ideale perché non soltanto permette di visualizzare la struttura dei materiali, ma permette anche di misurare le proprietà meccaniche, elettriche e termiche su scala nanometrica.
Vuoi saperne di più? leggi l’approfondimento: Application of AFM
Alcune polveri metalliche (specialmente se contenenti Ti) devono essere manipolate in atmosfera inerte perché sensibili a ossigeno e umidità durante le operazioni di creazione del manufatto. Per questo può essere utile impiegare una glovebox con soluzioni appositamente studiate per il recupero della polvere. Questo garantisce un minore consumo di gas inerte rispetto a operare in atmosfera e soprattutto diminuisce il rischio di creare atmosfere potenzialmente esplosive.
Inoltre in ottica di produzione si possono anche impiegare glovebox di grandi volumi, quali la Glovebox (GMEGA), anche per integrare direttamente le macchine per stampa 3D.
Quando invece si parla di materiale polimerico può essere interessante impiegare le tecniche di analisi termica per valutare le proprietà dei materiali utilizzati, come il cambio di fase tramite DSC o le proprietà termomeccaniche tramite TMA/DMA. Se poi invece si parla di stereolitografia, la DSC può essere combinata con un sistema UV per verificare il fenomeno di reticolazione delle resine.
Per questi materiali, alimentati nelle macchine per additive sotto forma di filamento o film, vengono impiegati gli estrusori.
Inoltre il microscopio a forza atomica può essere impiegato in modalità a contatto alternato per studiare la microstruttura e le proprietà meccaniche di compositi a base di polimeri e nanotubi di carbonio prodotti con questa tecnologia.
Il laboratorio di analisi AlfatestLab propone un set completo di analisi per la caratterizzazione delle polveri per l’AM. Contattaci!
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In Alfatest dedichiamo particolare attenzione alla formazione dei nostri tecnici, perché consideriamo l’elevato livello professionale del nostro personale un vero “PLUS” da mettere a disposizione dei clienti. I nostri tecnici sono altamente qualificati, grazie a costanti aggiornamenti e ad annuali corsi di aggiornamento all’estero presso le aziende che distribuiamo. Ogni anno devono superare specifici test per ottenere la certificazione che li autorizza ad eseguire i test e rilasciare la certificazione “OQ”. Sono specializzati in specifiche tecniche per garantire la loro efficienza nella diagnostica, l’intervento tecnico ma anche la messa a punto di metodi ed il supporto ai ns. clienti. La squadra di tecnici si divide tra Nord Italia e Sud Italia, muovendosi rispettivamente dai ns. uffici di Cernusco sul Naviglio (MI) e di Roma per garantire dei tempi d’intervento minimi, anche per le regioni del Sud e le Isole
