La promessa della manifattura additiva di rivoluzionare l’industria è limitata da un problema diffuso: minuscole sacche di gas nel prodotto finale, che possono portare a crepe e altri guasti. Una nuova ricerca pubblicata oggi su Science, guidata da ricercatori della Carnegie Mellon University e Argonne National Laboratory, ha identificato come e quando si formano queste sacche di gas, oltre a una metodologia per prevedere la loro formazione – una scoperta fondamentale ciò potrebbe migliorare notevolmente il processo di stampa 3D.
“La ricerca in questo documento si tradurrà in un migliore controllo della qualità e un migliore controllo del lavoro con le macchine di stampa 3D”, ha affermato Anthony Rollett, professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria presso la Carnegie Mellon University e autore sul giornale. “Perché la produzione additiva sia usata davvero per la maggior parte delle aziende, dobbiamo migliorare la coerenza dei prodotti finiti, e questa ricerca è un passo importante in questa direzione”.
I primi esperimenti
Gli scienziati hanno utilizzato i raggi X estremamente luminosi ad alta energia presso l’Advanced Photon Source (APS) di Argonne per realizzare video e immagini super-veloci di un processo chiamato Laser Power Bed Fusion (LPBF), nei quali laser sono usati per fondere insieme il materiale in polvere.
I laser, che passano al setaccio ogni strato di polvere per fondere il metallo dove serve, creano letteralmente il prodotto finito da zero. I difetti si possono formare quando le sacche di gas vengono intrappolate in questi strati, causando imperfezioni che potrebbero portare a crepe o altre rotture nel prodotto finale.
Fino ad ora, produttori e ricercatori non sapevano molto su come il laser trapassasse il metallo, producendo cavità chiamate “depressioni di vapore“, ma presumevano che il tipo di polvere metallica o la forza del laser fossero la causa. Di conseguenza, i produttori hanno utilizzato un approccio basato su tentativi ed errori con diversi tipi di metalli e laser per cercare di ridurre i difetti.
I risultati della ricerca
In effetti, la ricerca mostra che queste depressioni di vapore esistono praticamente in tutte le condizioni del processo, indipendentemente dal laser o dal metallo. Ancora più importante, la ricerca mostra come prevedere quando una piccola depressione si trasformerà in una grande e instabile che può potenzialmente creare un difetto.
“Stiamo ritirando il velo e rivelando cosa sta realmente accadendo“, ha detto Rollett, che è anche co-direttore del NextManufacturing Center di Carnegie Mellon.
Utilizzando apparecchiature altamente specializzate presso l’APS di Argonne, uno dei più potenti impianti di sincrotrone al mondo, i ricercatori hanno assistito a ciò che accade mentre il laser si sposta attraverso il letto di polvere di metallo per creare ogni strato del prodotto.
Il problema è la cosiddetta “Keyhole mode”
In condizioni perfette, la forma del pool di fusione è bassa e semicircolare, chiamata “modalità di conduzione“. Ma durante il processo di stampa, il laser ad alta potenza, che spesso si muove a bassa velocità, può trasformare la forma del pool di fusione in qualcosa di simile a un buco della serratura: rotondo e grande in cima, con un picco stretto in basso. Tale fusione detta “keyhole mode” può potenzialmente portare a difetti nel prodotto finale.
“Sulla base di questa ricerca, ora sappiamo che il fenomeno del keyhole è più importante, in molti modi, della polvere utilizzata nella produzione additiva“, ha detto Ross Cunningham, un neolaureato della Carnegie Mellon University e uno dei primi autori. di questo documento. “La nostra ricerca mostra che è possibile prevedere i fattori che portano a un keyhole”.
La ricerca mostra che i keyhole si formano quando viene raggiunta una certa densità di potenza del laser che è sufficiente per far bollire il metallo. Questo, a sua volta, rivela l’importanza fondamentale del focus del laser nel processo di produzione additiva, un elemento che finora ha ricevuto scarsa attenzione, secondo il team di ricerca.
“Il fenomeno del keyhole è stato visto per la prima volta con tali dettagli grazie alle dimensioni e alle capacità specialistiche sviluppate ad Argonne“, ha detto Tao Sun, un fisico di Argonne e autore sul giornale. “L’intenso fascio di raggi X ad alta energia presso l’APS è la chiave per scoperte come questa.”
Una ricerca che va avanti dal 2016
La piattaforma sperimentale che supporta lo studio della produzione additiva comprende un apparato laser, rilevatori specializzati e strumenti beamline dedicati.
Nel 2016, il team Argonne, insieme ai suoi partner di ricerca, ha acquisito il primo video a raggi X durante la produzione di additivi laser sulla scala di micrometri e microsecondi. Questo studio ha aumentato l’interesse sull’impatto che l’APS di Argonne potrebbe avere sulle tecniche di produzione e sulle sfide.
“Stiamo davvero studiando un problema scientifico di base, che è ciò che accade al metallo quando lo riscaldi con un laser ad alta potenza“, ha detto Cang Zhao, un postdoc Argonne e l’altro coautore del giornale. “Grazie alla nostra capacità sperimentale unica, siamo in grado di lavorare con i nostri collaboratori su esperimenti che sono davvero preziosi per i produttori.”
Una ricerca per il futuro della stampa 3D
Il team di ricerca ritiene che questa ricerca possa motivare i produttori di macchine di produzione additiva per offrire maggiore flessibilità nel controllo delle macchine e che l’uso migliorato delle macchine potrebbe portare ad un miglioramento significativo nel prodotto finale. Inoltre, se tali note vengono prese in considerazione, il processo di stampa 3D potrebbe accelerare.
“È importante perché la stampa 3D in generale è piuttosto lenta“, ha affermato Rollett. “Ci vogliono ore per stampare una parte alta pochi centimetri, va bene se puoi permetterti di pagare per la tecnica, ma dobbiamo fare meglio“.
