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Fino all’ultimo granello di polvere AM

Immagina una resa del 100% sulla produzione di polvere di metallo e il riutilizzo di tutto il materiale sprecato durante i processi PBF. L'additivo 6K lo fornisce.

Nella stampa 3D con letto di polvere metallica il problema dello spreco di materiale è diventato particolarmente rilevante in quanto la tecnologia è destinata a lotti di produzione più grandi. Ora esiste una soluzione praticabile per risolvere il problema: inizia con il ringiovanimento della polvere. La tecnologia al plasma a microonde UniMelt di 6K Additive promette polveri di metallo riciclato per PBF con una qualità persino superiore ai materiali atomizzati tradizionalmente dai lingotti . La riduzione dei rifiuti di polveri metalliche è emersa come una richiesta chiave durante AM Focus on Sustainability di 3dpbm, quindi abbiamo contattato Aaron Bent, Presidente e CEO di 6K, per scoprire come la società con sede a Boston sta affrontando questo problema.

6K non ha solo sviluppato un metodo per riciclare in modo efficiente i metalli, anche quelli refrattari più duri, per trasformarli in polveri AM pronte per l’uso, ma la sua tecnologia UniMelt promette anche una resa del 100% circa di polveri compresa tra 15 e 45 micron (che può essere utilizzato nel laser a metallo PBF) nonché nella gamma 45-106 micron (per processi PBF a fascio elettronico) o qualsiasi dimensione determinata per una particolare applicazione o tecnologia. Per mettere questo nel contesto, i processi standard di atomizzazione del gas ottengono circa il 30%. 6K afferma inoltre di produrre particelle veramente sferiche, prive di porosità e satelliti e con una migliore scorrevolezza rispetto alle polveri prodotte con tecnologie concorrenti.

Mentre la società si prepara ad entrare nel mercato con il suo primo materiale Inconel 718, l’impatto di questo approccio potrebbe essere enorme sia per il rapporto costo-efficacia (che è un fattore importante) sia per la creazione di AM come processo completamente ecologicamente sostenibile, che – cerchiamo di essere onesti – non lo è ancora.

Fiducia nel settore edile

 

Aaron Bent
Aaron Bent, Ph.D., Presidente e CEO di 6K.

Uno dei motivi per cui grandi quantità di polveri metalliche vengono sprecate nei processi AM è che chi adotta processi di produzione avanzati si preoccupa anche di deviazioni minime nella qualità delle polveri. “La verità è che non ci sono problemi con il ringiovanimento”, ci assicura il dottor Bent. “Non aggiungiamo contaminazioni nel nostro processo UniMelt. Non c’è combustione, né elettrodi che si usurano: siamo in grado di sintetizzare materiali molto più esigenti – catodo e materiali anodici a batteria agli ioni di litio altamente stechiometrici per il mercato dello stoccaggio dell’energia”.

A seguito del suo dottorato di ricerca in aeronautica al MIT, il Dr. Bent ha accumulato oltre 20 anni di esperienza nella fondazione e gestione di aziende in varie tecnologie dirompenti in una vasta gamma di mercati tra cui difesa, settore automobilistico, efficienza energetica, solare, produzione di metalli puliti e telecomunicazioni. Comprende quindi le esigenze di questi settori.

“Come base, abbiamo condotto studi in cui elaboriamo le migliori polveri di atomizzazione a gas nel nostro sistema UniMelt e miglioriamo sostanzialmente le loro proprietà: flusso, sfericità, rimozione dei satelliti, densità apparente – questo ci ha dato una forte fiducia che non solo possiamo fornire risultati di ringiovanimento accettabili, ma anche migliorare notevolmente le proprietà delle polveri vergini”. 6K è in grado di rielaborare la polvere usata, che si è deteriorata a causa di fattori inevitabili come i livelli di ossigeno (aumenta l’ossigeno ogni volta che si usa la polvere), la perdita di morfologia (cioè diventando meno sferica) impedendo il flusso in un sistema AM, ripristinando il suo stato premium .

Questa è in realtà già una pratica relativamente standard, anche tra le compagnie aerospaziali e viene definita “Revert”. Rolls Royce ha un programma Revert per il riciclaggio a circuito chiuso di quasi 20.000 tonnellate di leghe metalliche che utilizza ogni anno. Quasi il 95% di un motore aeronautico usato può ora essere riciclato e circa la metà del materiale recuperato può essere riutilizzato per creare un nuovo motore. 6K può contribuire a rendere più efficiente il riciclo a circuito chiuso di diversi ordini di grandezza per gli utenti di AM. “Il ringiovanimento è una drastica riduzione del fabbisogno energetico rispetto alla produzione di nuove polveri da lingotti o fili”, sottolinea il dott. Bent. “Anche se altri processi di atomizzazione avevano tassi di rendimento comparabili, UniMelt utilizza solo un terzo o un quinto del gas argon in produzione e ha il doppio dell’efficienza elettrica di un plasma accoppiato induttivamente”. Il dottor Bent sottolinea che UniMelt è di solito efficiente al 99% dal microonde al plasma, rispetto al 40% – 45% per il plasma accoppiato induttivamente (ICP).

A causa dell’efficienza del suo processo al plasma a microonde, i vantaggi più significativi della tecnologia UniMelt vanno oltre il ringiovanimento della polvere, “6K può avvicinarsi al 100% della resa nel suo processo al plasma perché progettiamo la materia prima per la distribuzione finale delle dimensioni della polvere richiesta dalla stampante 3D“, dice il dottor Bent. Al contrario, in genere solo il 30% di una polvere atomizzata a gas rientra nella PSD richiesta dai sistemi di fusione a letto di polvere laser. Il resto è spreco. Nel titanio, solo una piccola parte delle polveri di dimensioni inferiori o sovradimensionate può essere rifusa e la maggior parte viene semplicemente messa in discarica. Per altre leghe, una porzione può essere rifusa, ma non tutte. I rifiuti di una resa del 30% includono l’energia e le spese per la creazione di un lingotto per l’atomizzazione, il trasporto verso l’atomizzatore e l’energia per atomizzare. Un altro aspetto da considerare – non meno importante – è la sostenibilità economica di AM: oggi i materiali rappresentano circa il 10% -15% del costo totale della parte. Tuttavia, la progressiva riduzione del costo delle attrezzature e dei processi di produzione sta riducendo i costi complessivi delle parti. Entro cinque anni, le polveri potrebbero crescere fino a rappresentare fino al 40% del costo totale della parte in alcuni segmenti industriali.

Pronto per il mercato

6K è ora pronto per essere immesso sul mercato con il suo primo prodotto, Inconel 718, seguito da Ti64 entro la fine dell’anno. La società sta attualmente commissionando un nuovo impianto di produzione a Pittsburgh che comprende 40.000 piedi quadrati di nuove capacità all’avanguardia, tra cui diversi sistemi di produzione UniMelt per la produzione di varie leghe, sia reattive che non reattive. L’impianto è già ISO9001 e sarà AS9100 entro la fine dell’anno.

Questa sede supera già oltre 1 milione di sterline di titanio all’anno, per l’utilizzo in lega di alluminio di alta qualità per i settori automobilistico, della difesa e dei prodotti medici. I servizi AM incentrati sulla ricerca e sulla sostenibilità come Castheon e Sintavia hanno condotto tirature di stampa con polveri 6K su base limitata. Ora stanno ricevendo campioni molti più importanti uffici di assistenza AM, così come i principali adottanti AM nel settore aerospaziale e della difesa, nel settore petrolifero e del gas e degli impianti medici verticali.

Un cubo stampato in 3D utilizzando la lega ad alta entropia (HEA), realizzato con 5 elementi separati, due dei quali hanno una differenza di quasi 900 ° C nella temperatura di fusione.

Bent ammette che il team è entusiasta della disponibilità di polveri su scala molto più ampia. L’anno scorso l’azienda ha dimostrato tutta una serie di materiali tra cui tungsteno, tantalio, SS 17-4, AlSi10Mg, Inconel 625, molibdeno e renio. I processi di estrazione di questi materiali sono spesso estremamente tossici per l’ambiente: ridurre i loro rifiuti è ancora più un imperativo per l’industria manifatturiera additiva.

Le possibilità offerte dalla tecnologia 6K vanno oltre i refrattari. L’azienda ha dimostrato una lega ad alta entropia (HEA) realizzata con 5 elementi separati, due dei quali avevano una differenza di quasi 900°C nella temperatura di fusione. Castheon lo usò per produrre la prima parte stampata al mondo HEA AM. “Il nostro mantra è ‘Se riesci a pensarlo, possiamo produrlo!’, Motivo per cui molte società di difesa ci parlano della creazione di materiali e di nuovi HEA che non sono mai stati disponibili nella produzione convenzionale, per non parlare della polvere modulo per la produzione additiva”, afferma il dottor Bent.

Nessun limite materiale

E 6K non si sta limitando al mercato delle polveri metalliche. Anche la ceramica e i polimeri avanzati sono nella lista. 6K ha prodotto polveri di granati, nitruri, allumina e zirconia, con dimensioni che vanno da 50 nm a 150 micron. Una cosa da notare è che l’attenzione dell’azienda è rivolta esclusivamente alle tecnologie di sinterizzazione diretta basate su laser o e-beam, quindi potrebbe passare del tempo prima che si possa vedere la ceramica. I polimeri possono essere più vicini, però. “Siamo molto interessati alle polveri sferiche a base di polimeri” conferma il dott. Bent. “Sebbene non abbiamo ancora avviato formalmente un programma, ci sono stati contattati da numerosi clienti per materiali termoplastici avanzati, PEEK e vari polimeri impregnati”.

Le capacità di processo di UniMelt possono espandersi oltre il metallo in ceramica e persino plastica e 6K è aperto e cerca di collaborare con aziende che sviluppano applicazioni AM che richiedono un materiale unico, al fine di sfruttare le capacità di UniMelt rispetto a ciò che può essere realizzato oggi. Una cosa che 6K non sta cercando di fare a questo punto è concentrarsi su altri processi a base di polvere, come il jinder jetting e lo spray freddo, che generalmente hanno requisiti inferiori per materiali o sfericità e dimensioni della polvere. “Il nostro primo obiettivo è consentire la produzione additiva dei materiali più avanzati con le proprietà più avanzate, rendendola sostenibile sia dal punto di vista economico che ambientale”, afferma il dott. Bent. “Riteniamo che ciò sia possibile e, in effetti, crediamo che l’industria lo chiederà, una volta che le soluzioni saranno disponibili.”

Aaron Bent
Una pala di una turbina stampata usando l’Inconel 718 di 6K

Se 6K sarà in grado di raggiunfere questo obiettivo, l’industria AM sarà in grado di realizzare la propria promessa di ridurre drasticamente gli sprechi rispetto alla produzione sottrattiva e di raggiungere gli obiettivi ideali di rapporto buy-to-fly garantendo che gran parte della fonte originale il materiale diventa una parte finale.

Oggi questa promessa non viene oggettivamente realizzata. Il processo di produzione delle polveri è composto per il 70% da rifiuti. La stampa stessa può comportare un ulteriore spreco di materiali del 30% -40%, da supporti, polvere usata e parti non conformi post-stampa. Sfruttando fonti sostenibili per il ringiovanimento delle polveri e producendo polvere con processi produttivi con resa al 100% – che sono i due pilastri della strategia di 6K – la società sta ora iniziando a pilotare il suo modello di “perdita zero”, in base al quale può prendere i flussi di rifiuti dalla stampa 3D siti e chiudere il ciclo a polveri premium. Non potrebbe esserci un momento migliore.

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Research 2020
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Davide Sher

Sono un giornalista professionista iscritto all'ODG dal 2002 e mi sono sempre occupato di comunicazione trade. Per 10 anni ho redatto una testata dedicata al mercato dei videogiochi e successivamente ho partecipato alla creazione del primo iPad magazine dedicato all'elettronica di consumo. Dal 2012, mi occupo esclusivamente di stampa 3D/manifattura additiva, che vedo come la più affascinante e reale delle tecnologie oggi agli albori ma che plasmeranno il nostro futuro. Ho fondato Replicatore.it nel 2013 e ho scritto come blogger per diversi siti internazionali. Nel 2016 ho fondato la mia società 3dpbm (www.3dpbm.com), con base a Londra, che offre servizi di supporto alle aziende che vogliono comunicare, sia in Italia che nel mondo, i loro prodotti legati alla manifattura additiva. Oggi pubblichiamo diverse testate internazionali tra cui 3D Printing Media Network (il nostro sito editoriale internazionale), 3D Printing Business Directory (la più grande directory al mondo di aziende legate alla stampa 3D), Replicatore.it, Replicador.es e 3D Printing Media Network Chinese Version. Inoltre sono Senior Analyst di SmarTech Analysis, una delle più importanti realtà al mondo attive nella rilevazione di dati e previsioni di mercato relative ai vari segmenti verticali dell'industria della manifattura additiva.

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