Ottimizzazione dei parametri di processo per leghe metalliche

Strumenti di test avanzati per la stampa 3D sviluppati da Sharebot

1. Introduzione
Nel campo della produzione additiva (AM) dei metalli, la fase di ottimizzazione delle polveri metalliche e dei parametri di processo è fondamentale per ottenere componenti con proprietà meccaniche e microstrutturali ottimali.

Le tecnologie di fusione su letto di polvere (PBF-LB/M) – in cui un raggio laser fonde selettivamente sottili strati di polvere metallica – richiedono un controllo preciso dei parametri energetici che governano la fusione e la successiva solidificazione.

Tra i parametri più influenti vi sono la potenza del laser (P), la velocità di scansione (v) e la posizione del piano focale (z₀).

La combinazione di questi fattori determina la quantità di energia erogata localmente al letto di polvere, influenzando direttamente la densità del pezzo, la morfologia del bagno di fusione e la porosità residua.

2. Fondamenti del processo
L'efficienza del processo PBF è comunemente descritta utilizzando la Densità di Energia Volumetrica (VED), calcolata come:

VED = P / (v * h * t)

dove:

P = potenza del laser (W)

v = velocità di scansione (mm/s)

h = distanza di hatch (mm)

t = spessore dello strato (mm)

La VED rappresenta l'apporto energetico per unità di volume e aiuta a prevedere il grado di fusione del materiale.

Una VED troppo bassa porta a difetti di mancata fusione e ad alta porosità, mentre una VED eccessiva può causare instabilità del bagno di fusione, evaporazione localizzata o tensioni residue.

3. Funzione di test parametrico automatizzato di Sharebot
Per semplificare la qualificazione delle polveri e l'ottimizzazione dei processi, Sharebot ha sviluppato una funzione di test parametrico automatizzato integrata nel software della macchina.

Questo strumento genera una matrice di provini cubici, variando sistematicamente la potenza del laser e la velocità di scansione lungo due assi.

In una singola sessione di stampa, è possibile produrre fino a 25 cubi di test (ad esempio, una matrice 5×5), ciascuno con una combinazione unica di parametri di processo.

La disposizione ordinata consente un confronto visivo e analitico immediato, semplificando l'identificazione della finestra di processo ottimale e riducendo drasticamente i tempi di calibrazione.

4. Caratterizzazione della densità
I provini stampati possono essere sottoposti a misurazione della densità idrostatica basata sul principio di Archimede, un metodo che determina la densità effettiva del materiale.

Confrontando la densità misurata con la densità teorica della lega, i ricercatori possono stimare la porosità residua e valutare la qualità della fusione.

Ulteriori analisi metallografiche (microscopia ottica, SEM) e test meccanici (microdurezza, resistenza a trazione) consentono di correlare le caratteristiche microstrutturali con le condizioni di processo applicate.

5. Stampa con polvere a basso volume
Per supportare la ricerca e lo sviluppo su leghe avanzate o formulate sperimentalmente, Sharebot ha progettato un sistema di erogazione di polvere a basso volume.

Questa soluzione innovativa consente la produzione di singoli cubetti di prova da 1 cm³ utilizzando solo pochi grammi di polvere, rendendola ideale per valutare piccoli lotti di polvere su scala di laboratorio.

Questa capacità riduce significativamente i costi di sviluppo e accelera la validazione preliminare di nuove leghe ad alte prestazioni per applicazioni aerospaziali, mediche e di ricerca avanzata.

Con il nostro metalONE è possibile stampare un singolo cubetto con pochi grammi di polvere per iniziare i test!

6. Conclusioni
L'approccio di Sharebot fornisce un metodo efficiente e scalabile per calibrare i parametri di processo nella stampa 3D dei metalli.

Integrando test parametrici automatizzati e la stampa a basso volume di polvere, l'azienda riduce i tempi di sperimentazione, ottimizza l'uso dei materiali e favorisce lo sviluppo di materiali innovativi.

Questi strumenti consentono ai ricercatori di esplorare efficacemente la relazione tra parametri di processo, microstruttura e proprietà meccaniche, aprendo nuove strade per la progettazione di leghe ad alte prestazioni e la ricerca applicata nella produzione additiva.

Autore
Dipartimento R&S – Sharebot Srl
Specialisti in tecnologie di produzione additiva e sviluppo di materiali avanzati