STAMPA 3D CON I METALLI

Esistono diverse tipologie di Metal Additive Manufacturing, che si dividono in due macroclassi: Directed Energy Deposition e Powder Bed Fusion

• Directed Energy Deposition (DED):

E` composta da una testa da cui fuoriesce un raggio laser, o ad elettroni, o al plasma. Sulla stessa testa e` installato un sistema in pressione da cui la polvere di metallo viene spruzzata in modo tale che colpisca il raggio e venga fusa. Sia la testa che il componente possono muoversi. E` possibile usare , invece che la polvere, un filamento, meno costoso ma che restituisce una qualita` inferiore (immagine a destra).

https://www.youtube.com/watch?v=oL7bMhPTtDI

• Powder Bed Fusion:

si dispone un letto di polvere e si fonde il materiale solo dove necessario. Una volta fuso il materiale si dispone un nuovo strato di polvere e cosi` via.

A seconda della sorgente di energia si parla di:

1. Selective Laser Melting (SLM):

La sorgente e` un laser e la camera in cui lavora viene riempita con gas inerte, per evitare combustione o esplosioni. La testa si muove, il componente sta fermo. Il Selective Laser Sintering (SLS) e` simile, il materiale non viene pero` portato a fusione ma viene, appunto, sinterizzato (temperature piu` basse di quella di fusione).

Le dimensioni massime raggiungibili sono di (600x400x500) $mm^3.$

https://www.youtube.com/watch?v=te9OaSZ0kf8

2. Electron Beam Melting (EBM):

La sorgente e` una pistola ad elettroni. E` composta da un catodo in tungsteno che viene scaldato fino a temperature superiori a 2000°C, (la temperatura di fusione del tungsteno e` di 3400°C circa, per questo si usa questo metallo) emettendo cosi` elettroni che vengono accelerati tramite l'applicazione di una tensione (V o Volt) tra il catodo stesso e un anodo posto piu` sotto.

 

 

In questo modo si emette un fascio di elettroni che viene poi focalizzato tramite un disco repulsivo (un magnete) e raggiunge infine il materiale, fondendolo.

Il fascio di elettroni puo` essere orientato attraverso un campo magnetico con conseguente assenza di attrito (non ci sono parti in movimento). Cio` rende questa tecnologia piu` veloce, ma anche piu` costosa (non meno di un milione di euro).

La camera deve essere tenuta sotto vuoto e raggiunge temperature di circa 1000 °C. Lavorare a temperature cosi` elevate permette di ridurre gli stress termici residui.

Le dimensioni massime raggiungibili sono di (350x350x380) $mm^3.$

https://www.youtube.com/watch?v=CUeDevI6kyE

 

I principali parametri che influenzano la qualita` di un componente realizzato in Additive Manufacturing sono:

1. Densita` di energia: bisogna settare la giusta potenza della sorgente, la giusta velocita`, la giusta distanza, di modo che il materiale non vaporizzi o cambi le sue proprieta` chimiche (troppa energia) o da evitare mancanze di fusione completa (energia insufficiente). La qualita` finale viene misurata confrontando la massa del componente finale con quella attesa teoricamente: in generale, infatti, i componenti realizzati in Additive Manufacturing sono meno densi di quelli realizzati con tecnologie CNC, a causa delle maggiori inclusioni di aria. Cio` comporta caratteristiche meccaniche inferiori.
2. Polvere: composizione chimica, dimensioni (si arriva al nanometro), morfologia, proprieta` fisiche, storaggio, riutilizzabilita` e pericolosita`. La polvere di alluminio costa 30 €/Kg, quella di acciaio 70 €/kg, quella di titanio 150 €/Kg, quella di NiTiNOL 700 €/Kg (valori indicativi);
3. Direzione di deposizione o scannerizzazione: influenza l'orientazione del materiale con conseguente comparsa di anisotropia (proprieta` meccaniche differenti nelle diverse direzioni). Influenza quindi le caratteristiche meccaniche del componente. Con l'esperienza sono state individuate le strategie di deposizione e scannerizzazione ottimali.
4. Rugosita`: si ottengono componenti piu` rugosi rispetto a tecnologie tradizionali (CNC), soprattutto quando si realizzano superfici inclinate nella direzione che vedi in figura (quando salendo ci si allarga, per dirla in un modo che spero si comprenda). Oltre un certo angolo di inclinazione, sono necessari supporti. Sono quindi necessari processi di finitura successivi.

L'Additive Manufacturing su metalli e` una tecnologia competitiva, in termini di tempo e soprattutto costo, solo per la realizzazione di pochi pezzi, con geometria molto complessa non ottenibile altrimenti.

Per grandi lotti e geometrie piu` semplici le tecnologie CNC sono ancora dominanti.

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