Tecnologie di fabbricazione additiva

ELECTRON BEAM MELTING

L'Electron Beam Melting è la tecnologia appertenente alla famiglia dei processi PowderBed Fusion che sfrutta come fonte di calore un fascio di elettroni anziché un laser.

NB: essendo coperta da brevetto, gli studi che si fanno su questa tecnologia sono molto limitati.

Il principio di funzionamento è lo stesso delle altre tecnologie di PBF: l'ottenimento della parte 3D avviene all'interno di una camera di stampa grazie ai materiali metallici in polvere che vengono portati a fusione, strato dopo strato, da una fonte di energia.

La differenza sta nel fatto che, in questo caso, la fusione completa delle particelle di polvere metallica avviene mediante un fascio di elettroni ad elevata energia: questo fascio di elettroni viene generato da un filamento di Tungsteno (che viene riscaldato a temperature al di sopra di 2500 °C) e viene direzionato sul letto di polvere da due magneti rotanti ad anello; quando poi l'electron beam impatta sul

letto di polvere, l'energiacinetica posseduta dagli elettroniviene convertita in calore e,quindi, avviene la fusione dellapolvere metallica colpita dalfascio.

Questa tecnologia sfrutta una camera di stampa dove, all'interno, c'è un'atmosferacontrollata; infatti, molto spesso viene praticato il vuoto (o si utilizzano dei gas inerti)perché si vuole fare in modo che gli elettroni non collidano con le particelle dell'aria. Ilfatto che la camera di stampa sia un ambiente controllato dove c'è del vuoto ci permetteanche di lavorare delle polveri metalliche che, invece, sono molto reattive (come, adesempio, il Titanio).

Inoltre, bisogna dire che, prima di arrivare a fusione, c'è una fase di preriscaldamentodella polvere. Quindi, viene depositato lo strato di polvere e, successivamente, ognistrato del letto di polvere viene scansionato in due fasi, le quali sono caratterizzate dadue livelli di intensità diversi; in particolare,

si ha la fase di preriscaldamento della polvere del letto fino al 40-60% della temperatura di fusione della polvere, mediante un fascio ad alta corrente e alta velocità. La fase di fusione della polvere preriscaldata avviene con un fascio di elettroni a bassa velocità di scansione. Questo preriscaldamento possiede un grande vantaggio perché limita le deformazioni dovute alle tensioni residue che si generano nel materiale durante la fase di solidificazione e riduce la necessità di rinforzi e di supporti durante la produzione. Un'altra caratteristica molto importante di questo processo è che ci consente di avere una velocità di produzione maggiore rispetto a quella che si ottiene con il laser; questo perché il fascio di elettroni può separarsi per riscaldare la polvere in più punti contemporaneamente. Per quanto riguarda l'Electron Beam Melting, i PRINCIPALI PARAMETRI DI PROCESSO sono fondamentalmente gli stessi che caratterizzano il

processo di Laser Powder Bed Fusion; infatti, la Velocità di scansione (v), lo Spessore strato (t) e l'Hatch spacing (o distanza di riempimento o spaziatura tra le tracce del laser (h)) sono descritti esattamente come per i processi LPBF; in questo caso però, al posto della Potenza Laser si aggiungono la Tensione di accelerazione (V) e la Corrente del fascio (I).

Anche per l'EBM possiamo introdurre il concetto della Densità di Energia Volumetrica (VED):

In questo caso, ovviamente al numeratore non ci sarà la Potenza Laser ma la potenza espressa come il prodotto tra la Tensione di accelerazione (V) del fascio di elettroni e l'intensità della Corrente del fascio (I).

In particolare, per quanto riguarda la Tensione di accelerazione (V) possiamo dire che, solitamente, si mantiene il suo valore costante durante il processo, in quanto si preferisce agire sulla Corrente del fascio (I).

Tuttavia, se volessimo analizzare gli effetti di una variazione

dovrebbe essere scelto in base alle specifiche esigenze di finitura superficiale. Aumentando la corrente del fascio, si può ottenere una maggiore velocità di rimozione del materiale, ma questo potrebbe compromettere la qualità della superficie. Al contrario, riducendo la corrente del fascio si può ottenere una finitura superficiale migliore, ma a scapito della velocità di lavorazione. In conclusione, la scelta dei parametri di processo, come la tensione di accelerazione e la corrente del fascio, è fondamentale per ottenere la finitura superficiale desiderata. È importante trovare un equilibrio tra la velocità di lavorazione e la qualità della superficie, tenendo conto delle specifiche esigenze del componente che si sta realizzando.

Influisce sulla dimensione del melt pool (bagno di fusione); in particolare, se imposto un valore della Corrente del fascio (I) elevato, ho la formazione di un melt pool più grande. Un melt pool di dimensioni più grandi comporta una minore velocità di raffreddamento, in quanto bisogna avere più tempo per portare a solidificazione la quantità di materiale fuso. A sua volta, una velocità di raffreddamento bassa comporta una crescita dei grani più marcata (in termini di dimensioni) e, quindi, avrò una microstruttura più grossolana e, di conseguenza, delle proprietà meccaniche inferiori.

NB: una limitazione dell'EBM ma, in generale, di tutti i processi di stampa 3D, è che all'interno dello stesso componente ci troviamo ad avere delle microstrutture molto diverse tra di loro; ovviamente, questa è una limitazione di queste tecnologie in quanto va ad inficiare le caratteristiche meccaniche del pezzo.

dall'LPBF (Laser Powder Bed Fusion). Alcune delle caratteristiche tipiche dell'Electron Beam Melting sono: - Materiale: Polvere metallica fusa con fascio di elettronio - Dimensione minima: 0.1 mm - Tolleranze tipiche: ±0.2 mm - Spessore minimo dei layer: 0.05 mm - Finitura superficiale: 20.0 ÷ 25.0 µm RA - Densità: fino a 99.9% Le applicazioni commercialmente più diffuse dell'EBM si possono ricercare nell'ambito medico; in particolare, l'EBM è la tecnologia più utilizzata per la produzione di coppe acetabolari per protesi d'anca. Un'altra applicazione importante è la produzione di pale di turbine in lega TiAl, le quali vengono utilizzate nei motori a turbina a gas. LPBF vs. EBM Se volessimo confrontare le tecnologie che si basano sul processo di fusione a letto di polvere, potremmo dire che, innanzitutto, è vero che hanno molte caratteristiche in comune ma è anche vero che ci sono anche delle peculiarità che differenziano l'EBM dall'LPBF (Laser Powder Bed Fusion).dalLPBF; primo tra tutti, il riscaldamento del letto di polvere, processo che non avviene quando abbiamo a che fare con un laser. Inoltre, le due tecnologie si differenziano anche per i gas inerti che vengono utilizzano e per alcuni valori ottenibili relativi alle caratteristiche geometriche ottenibili, agli intervalli di tolleranze che possono garantire, alle densità, alle finiture superficiali, ecc.. In particolare, con la tecnologia laser riusciamo ad ottenere delle tolleranze decisamente inferiori rispetto a quelle dell'EBM; quindi, la finitura che riusciamo ad ottenere è sicuramente migliore. Per quanto riguarda la caratteristica legata allo spessore minimo dello strato che si può andare a depositare, anche in questo caso abbiamo che lo spessore di polvere che si può depositare con la tecnica che sfrutta il laser è inferiore rispetto a quello che del fascio di elettroni. Anche la rugosità della superficie sicuramente più bassa quando si.utilizzano processi LPBF. Invece, per quanto riguarda la velocità di scansione, possiamo dire che il fascio di elettroni ci consente di avere una velocità di produzione maggiore. Per quanto riguarda i gas utilizzati per rendere l'ambiente inerte, questi sono argon nel processo che sfrutta il laser mentre nell'EBM abbiamo o l'elio o, soprattutto, il vuoto. Un altro grande limite dell'EBM è che non possiamo stampare tantissimi materiali; questo perché non tutte le leghe metalliche che si utilizzano nei processi additivi (che già sono una porzione abbastanza ridotta di tutti i materiali metallici che conosciamo in generale) si prestano bene ad essere lavorate mediante EBM. In particolare, con la tecnologia a fascio di elettroni non possiamo stampare le leghe di alluminio o, ad esempio, gli acciai, che sono invece dei componenti che trovano molte applicazioni nella LPBF. Quindi, un po' per il fatto che l'EBM è una tecnologia ancora pocodiffusa perché comunque è ancora coperta da brevetto, un po' perché possono essere lavorate una fetta ancora più piccola di quelle che sono le polveri a disposizione per i processi AM, si capisce bene che la tecnologia con il laser è quella che viene utilizzata maggiormente quando abbiamo a che fare con questi tipi di processi.

POWDER BED FUSION (PBF)

Ora vediamo dei concetti che vanno bene sia per la Laser Powder Bed Fusion sia per l'Electron Beam Melting. Oltre ai parametri di processo relativi a ciascuna tecnologia, ci sono degli ulteriori aspetti da considerare, i quali sono validi sia per i processi che sfruttano il laser sia per quelli che sfruttano il fascio di elettroni; fondamentalmente, sono 5:

1. Scelta del recoater
2. Posizionamento parti sul piatto di stampa
3. Strategie di scansione
4. Strategie di supportazione
5. Trattamenti termici

Scelta del recoater:

Il recoater è una lama metallica o in gomma che serve a depositare la polvere dalla

camera delleo polveri a quella di costruzionedistendere la polvere in modo uniforme sullao piattaforma di stampa

Dunque, il recoater prepara lo spessore di polveremetallica che deve essere stampato. A talproposito, possiamo dire che, in certi casi, può capitare che si verifichi il contatto tra lalama del recoater e le parti stampate o le strutture di supporto; questo potrebbe esseredovuto a:

• lama del recoater sporcao bruciature e sporgenze sulla superficie appena stampatao separazione delle parti stampate da strutture di supporto durante la stampao deformazione del pezzo per sollecitazioni interneo

L’impatto tra il recoater e la superficie delle parti stampate causa delle vibrazionidurante il processo di stampa (oltre all’usura del recoater e al danneggiamento dellasuperficie del pe