Appunti Tecnologie di Additive Manufacturing (parte 2 di 4)

Pulverissime di nichel e cobalto, ma anche per polveri di alluminio, rame e ferro.

Le polveri atomizzate nel vuoto sono sferiche e lisce con poche particelle satelliti.

La dimensione della polvere va da 1-500 μm con una media di 40-70 μm.

Centrifugal Atomization:

Un cilindro (65 mm diametro x 1524 mm) viene montato su un mandrino e messo in rotazione, con lo scopo di fare da elettrodo, alla velocità di 1500 rpm. Di fronte a questo cilindro viene messo un anodo in modo tale da generare un arco elettrico (di solito fatto di tungsteno). L’arco elettrico con la rotazione, scalda il cilindro tanto da portare a fusione lo strato più esterno del cilindro dal quale si staccano piccole particelle che depositandosi nelle zone circostanti, si solidificano e creano la polvere.

Nella camera di lavorazione viene usato l’elio come gas in modo da migliorare la stabilità dell’arco e l'efficienza di raffreddamento convettivo.

Polveri prodotte con questa atomizzazione sono molto pure dal momento che non c’è contaminazione del metallo fuso e le particelle sono sferiche e prive di satelliti.

Le dimensioni possono andare da 50 a 400 μm con una media di 200 μm.

La velocità di raffreddamento delle particelle è più bassa che nell’atomizzazione in acqua o gas.

Polveri prodotte con questa tecnica hanno dimensioni inferiori di quelle

prodotti con l’atomizzazione in gas.

La dimensione media delle particelle diminuisce con l’incremento della

velocità di rotazione dell’elettrodo.

- Parametri di processo -

Conducibilità termica: questa è una caratteristica fisica che il letto di polvere

deve avere ed è importante poiché secondo quanto conduce fornendo

una quantità di energia minore o maggiore (p.e. alluminio ha alta

conducibilità termica e dissipa molto il calore —> senza potenza laser

più alta)

La conducibilità termica è la misura della dissipazione di calore durante

l’utilizzo del laser se la polvere ha alta conducibilità serviva una

quantità di energia alta per fondere.

Riflessività: se il materiale (p.e. alluminio o rame) ha un’alta riflessività

della luce, esso rifletterà la luce del laser e senza difficoltà processare la

polvere —> se luce viene riflessa anche l’energia verrà riflessa

comunque il letto di polvere ha riflessività più bassa rispetto ad un blocco

solido poiché i pori nel letto assorbono il laser.

In conseguenza di ciò materiali che riflettono hanno bisogno di una

maggior energia prodotta dal laser (p.e. alluminio).

Pressione del vapore: per polveri con granulometria molto piccola dobbiamo

stare attenti all’energia che forniamo poiché invece che fondere le particelle

potrebbero vaporizzare —> produzione di fumo, indisposizione che lascia difetti ecc.

Interazione laser-polvere: polveri più grandi necessitano di un’energia del

laser maggiore rispetto alle polveri più piccole per questo potrebbe capitare

che quelle più piccole sublimino creando un fumo che disturba il

processo.

L’energia di un laser è data dalla densità di energia E_s,

E_s= ^P/_V·s

dove:

• P: potenza laser
• V: velocità di scansione
• s: diametro laser (o spot di 100μm) — o spot di raggio

La strategia delle strire consiste nel fare, invece che linee continue, dei segmenti singoli e anche in questa strategia è necessario l'overlapping.

Toolpath strategies

The fabrication needs:

• Bounding between different layers
• Overlapping between the scans

Parallel line ➡️ Island & stripes

Residual stresses ➡️ Reduction of residual stresses

Rotation of the toolpath between the layers

In questa tecnologia non abbiamo un’atmosfera inerente come nel caso dell’SLM ma dobbiamo creare il vuoto -> tempo di set-up lungo che sommato al tempo di preriscaldamento ecc allunga i tempi di processo.

L’atmosfera inerente ci salvaguarda dall’ossidazione durante la fabbricazione, ma nel caso dell’EBM almeno come fonte un fascio di elettroni, se questi ultimi urtassero contro le particelle o gas potrebbero essere ionizzanti in una zona diversa rispetto a quella progettata -> di conseguenza per far seguire al flusso di elettroni dettato al campo magnetico generato il percorso pianificato si deve evitare la collisione con altre particelle e quindi si deve essere in condizione di vuoto (alti costi di mantenimento di macchine).

- Stabilitura di supporto EBM

Le polveri sinterizzate durante gli step di pre-heating hanno un certo ciclo di forza e per questo il numero di superfici che hanno bisogno di supporto durante il processo di fabbricazione sono ridotte. Un operatore di “pallinatura” viene raramente usata per rimuovere i supporti -> strutt. supporto meno massivi rispetto SLM poiché minor gradiente termico.

- Postprocessing EBM

Alla fine del processo quando l’oggetto viene rimosso dalla camera di lavorazione un morbido agglomerato di polvere aderisce alla parte frastagliata e la copre completamente. Questo agglomerato si chiama Breakaway Powder o “Powder Cake” e viene rimosso tramite sabbiatura. Dal momento che non vi è ossigeno nella camera di lavorazione durante il processo o fusione, la polvere non processata può essere riutilizzata senza rischio di alterazione da fattori chimici o delle proprietà fisiche.

Sheet Lamination

In questa tecnologia non è né una polvere, né un liquido, né un filamento ma in questo caso è sotto forma di lamine.

La Sheet Lamination (SHL) fu una delle prime tecniche commercializzate di AM ma ha avuto solo un limitato successo nel mercato.

Fogli di materiale vengono tagliati, accatastati e uniti (non sempre in questo ordine) per formare un oggetto e il materiale non usato non può essere facilmente riutilizzato e tipicamente viene scartato.

I materiali utilizzati sono di solito fogli o carti o polimeri ma anche metalli e varianti ceramiche.

Questi materiali sono forma di lamine possono essere alcuni tra i più economici e facili da processare.

Questo processo è ritenuto molto utile nella costruzione di oggetti molto larghi e ingombranti.

Il processo di sheet lamination include la Laminated Object Manufacturing (LOM) e l'Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).

Il principio di funzionamento è sempre lo stesso: abbiamo dei fogli che vengono impilati e ogni volta viene attaccato il contorno del layer desiderato e rimosso sullo strato precedente a seconda del materiale utilizzato.

Il processo di UAM usa fogli o nastri di metallo che vengono uniti tra loro usando una saldatura ultrasonica. Il processo richiede anche una lavorazione CNC e la rimozione del materiale in eccesso spesso durante il processo di saldatura. I materiali processati dall'UAM sono alluminio, rame, acciaio inossidabile e titanio.

Il processo di LOM utilizza un approccio layer-by-layer simile ha il materiale processato è carta o polimero e gli strati vengono uniti in maniera adesiva invece che con la saldatura. Il processo di LOM usa un liquido di distacco e un metodo di rimozione incollato per

materiale e dove non metterlo, non contenga buchi che espongano la parte interna e non si ripieghi su se stesso.

Per fare ciò è possibile utilizzare diverse tecniche:

CAD (Computer Aided Design)

RE (Reverse engineering)

CT (Computer Tomography)

Quella più usata è sicuramente il CAD, ovvero dei software che permettono di disegnare l'oggetto tramite forme semplici che poi vengono unite tra loro con operazioni booleane e trasformate in forme più complesse.

A questa si accosta la tecnica del RE anche conosciuta come "Scanner 3D" ovvero strumenti che permettono di un oggetto esistente viene costituita una nuvola di punti che poi correttamente interpretata di loro riescono a costruire le superfici in un modello virtuale chiuso e finito. - È una tecnica molto molto complessa e per eseguirla bisogna essere esperti.

A questo se ne accosta ancora un'altra che è il CT o anche conosciuta come "Tomografia Industriale" che non è nient'altro che una TAC eseguita sugli oggetti: l'oggetto in questione potrebbe avere delle caratteristiche interne particolari -> molto costosa.

Sia l'RE che il CT non vengono usati tanto per creare modelli 3D, ma invece per il controllo qualità e quindi alla fine del processo fabbricativo: posso confrontare l'oggetto prodotto con quello iniziale del modello virtuale, in modo da osservare se ci sono state deviazioni (p.e. mi sono costruita oggetto in additive con cavità interne ma come faccio a controllarla? O lo taglio o faccio la TAC).