All'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i team stanno affrontando diversi problemi scientifici associati alla produzione additiva, spesso indicata come stampa 3D, in modo da far progredire la nostra comprensione del processo che potrebbe rivoluzionare la produzione.

Presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, un team guidato dal fisico dell'APS Tao Sun e dal professore della Missouri University of Science and Technology Lianyi Chen ha recentemente completato uno studio che identifica i possibili modi per ridurre gli "schizzi" di polvere, " che può causare difetti nel prodotto finito. Queste informazioni potrebbero aiutare le aziende di tutti i settori, dall'aerospazio alla difesa, strumenti medici al settore automobilistico.

Nella produzione additiva, i produttori utilizzano i laser per riscaldare metalli, polveri plastiche e ceramiche. Queste polveri riscaldate vengono poi stese in strati molto sottili, uno strato alla volta, in una piastra di costruzione, ottenendo prodotti finiti personalizzati, realizzato su richiesta. Questo processo è chiamato "fusione a letto di polvere laser, " o LPBF.

Gli sviluppatori hanno utilizzato questa tecnologia per creare componenti per aeroplani, automobili e persino impianti medici come mandibole artificiali. Gli ingegneri utilizzano il titanio e altre leghe metalliche per migliorare l'efficienza produttiva, ridurre i costi del prodotto e semplificare le catene di approvvigionamento. Non c'è limite ai possibili utilizzi, dipende solo dalla visione dei designer.

Eppure questo processo rimane imperfetto. I laser intensi che colpiscono le polveri spesso fanno schizzare le polveri, spruzzare o spruzzare, con conseguenti difetti nei prodotti o problemi di controllo della qualità. Inoltre, questo può creare altri problemi quando gli ingegneri cercano di riutilizzare la polvere avanzata, poiché la polvere schizzata tende a contaminare il resto. Gli ingegneri devono spesso riparare pezzi finiti, oppure rivedere e ripetere il processo di stampa.

Il fenomeno è difficile da misurare con gli strumenti convenzionali. Né può essere ben previsto dalla modellazione o dalla simulazione, e quindi le dinamiche dettagliate degli schizzi di polvere non sono ancora completamente comprese.

Utilizzando i raggi X estremamente luminosi dell'APS, il team ha potuto osservare la dinamica di questo movimento di polvere, misurare la velocità e l'accelerazione della polvere. Da questi esperimenti, il team ha creato un diagramma che illustra le dinamiche e ha fornito possibili modi per ridurre gli schizzi.

Catturando 50, 000 fotogrammi al secondo, i ricercatori sono stati in grado di sondare e quantificare la dinamica del movimento della polvere in funzione del tempo, pressione ambientale e posizione nell'ampia gamma di temperature, da 80 a più di 4, 940 gradi Fahrenheit, che si verificano in LPBF. Il team ha anche osservato la forza motrice del movimento causata dal pennacchio di vapore del metallo riscaldato e il flusso risultante di gas argon.

"Stiamo cercando di capire l'entità dell'espulsione della polvere, " ha detto Sun. "Il nostro lavoro sta fornendo indizi su come mitigarlo. Alla fine, nel cercare di ottenere prodotti migliori, abbiamo bisogno di modelli. Questi modelli si basano su dati sperimentali per convalidarli. Utilizzando le tecnologie a raggi X possiamo visualizzare il processo e convalidare il modello. Nessuno ha ancora sviluppato modelli accurati per prevedere i movimenti della polvere perché il processo è così complesso e non può essere misurato direttamente".

Il team di ricerca ha identificato tre modi per mitigare potenzialmente gli schizzi di polvere:presinterizzazione, riscaldamento per preparare la compattazione delle polveri tramite temperatura o pressione, a una temperatura relativamente più bassa, prima di iniziare il processo principale di sinterizzazione (compattazione o formatura); ridurre lo spessore del letto di polvere; e regolare la pressione sul letto di polvere per bilanciare gli spruzzi caldi (che aumentano con una maggiore pressione) e gli schizzi totali (che diminuiscono con una maggiore pressione).

Il team ha trovato prove che i pori indotti da schizzi hanno causato difetti in un campione costruito con uno strato più spesso di polvere, mentre tali difetti sono stati raramente riscontrati in un campione con uno strato più sottile. I ricercatori si sono affidati a teorie basate sulla fisica per identificare la sinterizzazione e la regolazione della pressione come potenziali strumenti di mitigazione.

Il team ha utilizzato il meccanismo di contrasto nell'imaging a raggi X per catturare le traiettorie di tutta la polvere volante in un video, nonostante le variazioni estreme di temperatura. Con l'imaging termico e a luce visibile, gli scienziati devono utilizzare filtri e tempi di esposizione diversi per vedere le particelle con temperature notevolmente diverse.

"Per la prima volta possiamo studiare quantitativamente le dinamiche transitorie della fusione delle polveri e il comportamento degli schizzi con un'elevata risoluzione spaziale e temporale per tutte le polveri contemporaneamente, compreso caldo, polveri fredde e nascoste, " disse Chen, che è un autore co-corrispondente con Sun dell'articolo "Dinamica transitoria degli schizzi di polvere nel processo di produzione additiva con fusione a letto di polvere laser rivelata dall'imaging a raggi X ad alta energia ad alta velocità in situ, " pubblicato su Acta Materialia il 26 marzo.

"Questo studio è utile alla comunità della stampa 3D per superare un'importante barriera alla realizzazione di parti con meno difetti, " disse Chen.

Le industrie aerospaziale e della difesa sono particolarmente interessate ai risultati a causa delle parti complicate di cui hanno bisogno.

"Le industrie aerospaziale e della difesa utilizzano la stampa 3D per fabbricare utensili, strutture leggere e componenti funzionali con geometrie complesse, " disse Wes Everhart, un coautore del documento, dal campus della sicurezza nazionale di Kansas City del DOE. "L'industria automobilistica ha appena iniziato a utilizzarlo per fabbricare componenti complessi".

"Questo è importante perché fornisce indizi su come mitigare gli schizzi, " Ha detto Chen. "Nessuno ha ancora sviluppato modelli affidabili perché la produzione additiva è così complessa e non può essere misurata direttamente. Questo ci avvicina alla realizzazione del pieno potenziale della stampa 3D".