La promessa della manifattura additiva di rivoluzionare l'industria è limitata da un problema diffuso:minuscole sacche di gas nel prodotto finale, che può portare a crepe e altri guasti.

Nuova ricerca pubblicata oggi in Scienza , guidato da ricercatori della Carnegie Mellon University e dell'Argonne National Laboratory, ha identificato come e quando si formano queste sacche di gas, nonché una metodologia per prevedere la loro formazione, una scoperta fondamentale che 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, "ha detto Anthony Rollett, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Carnegie Mellon University e autore del documento. "Affinché la produzione additiva possa decollare davvero per la maggior parte delle aziende, dobbiamo migliorare la consistenza dei prodotti finiti. Questa ricerca è un passo importante in quella direzione".

Gli scienziati hanno utilizzato i raggi X ad alta energia estremamente luminosi presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, per acquisire video e immagini superveloci di un processo chiamato Laser Power Bed Fusion (LPBF), in cui i laser vengono utilizzati per fondere e fondere insieme la polvere di materiale.

I laser, che scansionano ogni strato di polvere per fondere il metallo dove è necessario, creare letteralmente il prodotto finito da zero. I difetti possono formarsi quando sacche di gas rimangono intrappolate in questi strati, causando imperfezioni che potrebbero portare a crepe o altri guasti nel prodotto finale.

Fino ad ora, produttori e ricercatori non sapevano molto su come il laser perforasse il metallo, producendo cavità chiamate "depressioni di vapore, " ma presumevano che la colpa fosse del tipo di polvere metallica o della forza del laser. Di conseguenza, i produttori hanno utilizzato un approccio per tentativi ed errori con diversi tipi di metalli e laser per cercare di ridurre i difetti.

Infatti, la ricerca mostra che queste depressioni di vapore esistono in quasi tutte le condizioni del processo, non importa il laser o il 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 tirando indietro il velo e rivelando cosa sta realmente accadendo, " ha affermato Rollett, che è anche co-direttore del NextManufacturing Center di Carnegie Mellon. "La maggior parte delle persone pensa che si faccia brillare una luce laser sulla superficie di una polvere metallica, la luce viene assorbita dal materiale, e fonde il metallo in una pozza di fusione. In Attualità, stai davvero facendo un buco nel metallo."

Utilizzando attrezzature altamente specializzate presso l'APS di Argonne, uno dei più potenti impianti di sincrotrone al mondo, i ricercatori hanno osservato cosa succede mentre il laser si sposta sul letto di polvere metallica per creare ogni strato del prodotto.

In perfette condizioni, la forma della vasca di fusione è poco profonda e semicircolare, chiamata "modalità di conduzione". Ma durante il processo di stampa vero e proprio, il laser ad alta potenza, spesso muovendosi a bassa velocità, può cambiare la forma del pool di fusione in qualcosa come il buco della serratura in una serratura protetta:rotondo e grande in cima, con una punta stretta in basso. Tale fusione in "modalità buco della serratura" può potenzialmente portare a difetti nel prodotto finale.

"Sulla base di questa ricerca, ora sappiamo che il fenomeno del buco della serratura è più importante, in molti modi, rispetto alla polvere utilizzata nella produzione additiva, " ha detto Ross Cunningham, un neolaureato alla Carnegie Mellon University e uno dei co-primi autori di questo articolo. "La nostra ricerca mostra che puoi prevedere i fattori che portano a un buco della serratura, il che significa che puoi anche isolare quei fattori per ottenere risultati migliori".

La ricerca mostra che i buchi della serratura si formano quando viene raggiunta una certa densità di potenza del laser sufficiente per far bollire il metallo. Questo, a sua volta, rivela l'importanza critica della messa a fuoco laser nel processo di produzione additiva, un elemento che ha ricevuto finora scarsa attenzione, secondo il gruppo di ricerca.

"Il fenomeno del buco della serratura è stato visto per la prima volta con tali dettagli grazie alla scala e alle capacità specializzate sviluppate ad Argonne, " disse Tao Sun, un fisico Argonne e un autore sulla carta. "L'intenso raggio di raggi X ad alta energia all'APS è la chiave per scoperte come questa".

La piattaforma sperimentale che supporta lo studio della produzione additiva include un apparato laser, rilevatori specializzati, e strumenti di linea di luce dedicati.

Nel 2016, la squadra delle Argonne, insieme ai loro partner di ricerca, ha catturato il primo video a raggi X della produzione additiva laser su scala micrometrica e microseconda. Questo studio ha aumentato l'interesse per l'impatto che l'APS di Argonne potrebbe avere sulle tecniche e sulle sfide di produzione.

"Stiamo davvero studiando un problema scientifico di base, che è quello che succede al metallo quando lo riscaldi con un laser ad alta potenza, " ha detto Cang Zhao, un postdoc Argonne e l'altro co-primo autore del documento. "Grazie alla nostra capacità sperimentale unica, siamo in grado di lavorare con i nostri collaboratori su esperimenti che sono davvero preziosi per i produttori".

Il team di ricerca ritiene che questa ricerca potrebbe motivare i produttori di macchine per la produzione additiva a offrire maggiore flessibilità durante il controllo delle macchine e che il migliore utilizzo delle macchine potrebbe portare a un miglioramento significativo del prodotto finale. Inoltre, se queste intuizioni vengono attuate, il processo per la stampa 3D potrebbe diventare più veloce.

"È importante perché la stampa 3D in generale è piuttosto lenta, " Rollett ha detto. "Ci vogliono ore per stampare una parte alta pochi centimetri. Va bene se puoi permetterti di pagare per la tecnica, ma dobbiamo fare di meglio".