Metalli

LLNL ha in programma di ridurre i difetti causati dagli spruzzi nella stampa 3D in metallo

Un team di ricerca presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha sviluppato un piano per ridurre al minimo i difetti dovuti agli spruzzi nelle parti stampate utilizzando processi di produzione additiva metallica basata su laser. La strategia, condotta in collaborazione con l’Air Force Research Laboratory (AFRL), è stata concepita utilizzando la capacità di simulazione al computer del laboratorio e l’imaging a raggi X ad altissima velocità.

I processi di fusione del letto di polvere producono parti emettendo un raggio laser che fonde selettivamente polvere metallica, strato per strato, fino a quando non viene costruita una parte. Da quando il processo è stato aperto, i team di ricerca e i produttori di stampanti 3D hanno lavorato per avanzare attraverso aggiornamenti software e hardware, con l’obiettivo di migliorare la qualità delle parti e la coerenza dei processi. LLNL ha recentemente ottenuto una svolta su entrambi i fronti.

Gli spruzzi

Nella ricerca condotta da LLNL e recentemente pubblicata sulla rivista Science, il team ha rivelato una dinamica precedentemente sconosciuta all’interno di LPBF, in cui il processo produce “spruzzi”. Come spiega il team di ricerca, lo “spruzzo” è costituito da piccole particelle o gruppi di particelle di polvere che vengono espulse dal percorso del laser e che possono ricadere sulle parti. Questo fenomeno può portare alla formazione di pori o difetti nelle parti finali. Dopo aver scoperto le interazioni degli spruzzi, il team di LLNL ha deciso di comprenderlo meglio e trovare una soluzione.

Utilizzando un modello digitale il team ha condotto esperimenti virtuali di costruzione su microscala. Queste simulazioni sono state quindi confrontate con i dati sperimentali acquisiti mediante radiografia ad alta velocità e imaging ottico. Questo confronto ha permesso al team di stabilire un criterio di stabilità e una “power map”, che potrebbe aiutare a ridurre al minimo i difetti causati dagli spruzzi.

La soluzione “Power Map”

La power map è una tecnica di scansione che regola essenzialmente la potenza del laser lungo la traccia per stabilizzare il pool di fusione. L’approccio costituisce la base del processo di progettazione “intelligent feed-forward” di LLNL, che combina la modellazione e la simulazione avanzate con l’analisi sperimentale in modo che le stampanti 3D possano diventare più efficienti e meno soggette a difetti.

“Lo spruzzo è nemico della costruzione di parti belle; non sono solo piccole particelle che volano in giro, creano un sistema di classi di schizzi che possono influenzare la costruzione in diversi modi e scenari”, ha spiegato Saad Khairallah, autore principale del documento e fisico computazionale LLNL. “Le persone non possono semplicemente accendere il laser in modo ingenuo e iniziare la scansione, perché la strategia di scansione può creare spruzzi all’inizio di una traccia, oltre una soglia di dimensioni, che può essere molto dannosa per la costruzione. La buona notizia è che usando questi criteri di stabilità che descriviamo nel documento, si può modificare la strategia di scansione in base a una power map controllata.

Il criterio di stabilità può ridurre al minimo e persino eliminare i pori, i fori delle chiavi e altri difetti interni nelle parti stampate. Il team di ricerca ha anche capito che l’uso di un approccio di pre-sinterizzazione, in cui un laser a raggio multiplo viene fatto scorrere sulla polvere a un livello basso per fondere le particelle prima della costruzione effettiva, potrebbe causare meno spruzzi. LLNL afferma che la sua nuova strategia potrebbe portare a parti stampate più affidabili utilizzando LPBF.

Simulazione e raggi X

La scoperta di particelle di spruzzi e la strategia per risolvere il problema sono state rese possibili dalle avanzate capacità di simulazione di LLNL. In particolare, Khairallah e il suo team hanno sviluppato nuove capacità nel codice di simulazione multi-fisica di LLNL, ALE3D, al fine di monitorare l’impatto dei raggi del laser sull’espulsione delle particelle, nonché di acquisire altre dinamiche che creino difetti nel processo LPBF. La combinazione di questa simulazione avanzata e la diagnostica a raggi X hanno consentito al team di elaborare il suo piano unico per migliorare il processo AM metallico.

“La diagnostica a raggi X fornisce le uniche tecniche in grado di sondare simultaneamente la superficie e la sottosuperficie del metallo, offrendo al contempo la precisone per tracciare la rapida dinamica dei cambiamenti strutturali indotti dal laser”, ha affermato il coautore e responsabile tecnico Aiden Martin. “L’uso della radiografia ci ha permesso di osservare sperimentalmente i fenomeni di formazione di schizzi e ombreggiamento esplorati nelle simulazioni ALE3D”, ha concluso.

All’inizio di quest’anno, LLNL ha ospitato una cerimonia di dedica del nuovo Advanced Manufacturing Laboratory  – AML, una struttura di collaborazione all’avanguardia situata nel Livermore Valley Open Campus (LVOC) recentemente ampliato.

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Research 2020
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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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