Stampa laser 3D: Processo di fabbricazione additiva e materiali applicabili

Alcuni polimeri, metalli e ceramiche sono più adatti ai processi di fabbricazione additiva (AM) rispetto ad altri materiali. Esistono inoltre alcune differenze tra i vari metodi AM.

Con il continuo miglioramento delle proprietà meccaniche delle parti prodotte in modo additivo, l'AM sta gradualmente ottenendo un riconoscimento in molti campi di applicazione. Pertanto, i vari materiali adatti all'AM hanno ricevuto una maggiore attenzione da parte dell'industria e i materiali sono inseparabili dai processi AM.

Lo stesso vale per i metodi di produzione tradizionali: come è noto, non tutti i materiali possono essere saldati o fusi perché il materiale deve essere compatibile con il processo appropriato, e viceversa, questo vale anche per l'AM.

Il processo di fabbricazione e le materie prime devono essere considerati insieme. Per i lettori interessati ai materiali AM, se volete saperne di più, potete fare riferimento a un articolo di revisione recentemente pubblicato su questo argomento nella referenza 1.

Nel 2016, le vendite di materiali per la produzione additiva sono state pari a $900 milioni, con un aumento di 17% rispetto all'anno precedente. Dal 2010, le vendite di materiali per la produzione additiva sono cresciute linearmente e si prevede che entro il 2025 le vendite di materiali per la produzione additiva raggiungeranno $5-8 miliardi.

L'Additive Manufacturing Alliance ha attualmente suddiviso i processi AM in sette categorie (vedi tabella). Tre processi che richiedono l'uso del laser sono: Powder Bed Fusion (PBF), Directed Energy Deposition (DED) e Vat Photopolymerization.

Per la fusione a letto di polvere (Powder Bed Fusion, PBF), un sottile strato di polvere viene prima steso sul substrato e un raggio laser controllato da un computer scansiona la superficie della polvere. Quindi si aggiunge un altro strato di polvere, si scansiona e si ripete il processo. Nei processi di deposizione diretta di energia (DED), la polvere o il filo entrano nella sorgente di energia (fascio laser o di elettroni) dal lato.

Sia la fusione a letto di polvere che la deposizione a energia diretta utilizzano tipicamente laser da 50-500W per riscaldare e fondere i materiali. La fotopolimerizzazione in vasca utilizza laser a livello di milliwatt con lunghezze d'onda specifiche per ottenere la reticolazione fotoindotta nei materiali polimerici liquidi termoindurenti.

Materiali polimerici per la produzione additiva

Secondo un rapporto di Wohlers, un istituto di ricerca nel campo della produzione additiva, nel 2016, 46% di tutti i polimeri AM consumati erano resine per fotopolimerizzazione al tino e resine termoindurenti per deposizione di materiale.

Tra i materiali utilizzati per i processi di estrusione, i polimeri amorfi hanno rappresentato 24%, mentre tra i materiali utilizzati per i processi di fusione a letto di polvere, le plastiche termoplastiche semicristalline hanno rappresentato 30%.

I polimeri utilizzati nei processi di fusione a letto di polvere sono solitamente plastiche termoplastiche semicristalline come poliammide, PEEK e TPU. Le plastiche termoplastiche amorfe di solito non sono adatte perché la loro temperatura di fusione ha un ampio intervallo di viscosità, che riduce al minimo l'intervallo di temperatura del processo e spesso dà luogo a soluzioni ad alta viscosità che non sono desiderabili nei processi di fusione a letto di polvere.

Un intervallo di temperatura di fusione più ampio può anche portare a una sinterizzazione eccessiva dei pezzi. La Figura 1 mostra un esempio di utilizzo di polvere di PLA amorfa per i processi di sinterizzazione laser, che non ha prodotto risultati ideali.

Una caratteristica importante dei polimeri semicristallini utilizzati nei processi di fusione a letto di polvere è la differenza tra il loro elevato punto di fusione a caldo e la bassa temperatura di cristallizzazione a freddo.

Questa finestra di temperatura deve essere sufficientemente ampia in modo che la camera di costruzione della fusione del letto di polvere sia riscaldata appena al di sotto del punto di fusione del polimero e la temperatura di costruzione sia sufficientemente bassa da evitare l'agglomerazione dello strato di polvere.

Questa temperatura deve essere compresa nell'intervallo di temperatura al di sopra dell'umidità di cristallizzazione e al di sotto del punto di fusione.

Quando il laser scansiona e fonde la polvere, questa si raffredda alla temperatura della camera di costruzione, ma mantiene la sua struttura fusa perché non ha raggiunto la temperatura di cristallizzazione. Pertanto, la parte fusa rimane fusa.

Di solito, dopo che più strati di polvere sono stati posizionati sopra, essi cristallizzano lentamente, con notevoli vantaggi per la riduzione dei costi di produzione. sollecitazione residua e ridurre al minimo la deformazione dei pezzi. Tuttavia, questo fenomeno è solitamente impossibile per i metalli e richiede una grande quantità di strutture di supporto per evitare la deformazione dei pezzi durante la costruzione.

Hopkinson ha proposto un nuovo metodo di produzione dei metalli in cui le materie prime in lega sono divise in due componenti ad alto punto di fusione. Quando il laser (o il fascio di elettroni) scansiona e fonde il materiale, si forma un metallo a basso punto di fusione (come l'eutettico) che viene mantenuto allo stato fuso. Questo metodo imita quello dei polimeri ed elimina la necessità di supporti.

Per i processi basati sull'estrusione, i polimeri pastosi ad alta viscosità sono meglio controllati per l'estrusione e il posizionamento del materiale.

I materiali polimerici più comuni adatti a questo processo sono quelli amorfi (come PLA, ABS e poliammide). I tentativi di utilizzare materiali semicristallini durante l'estrusione del materiale danno solitamente luogo a strutture di qualità inferiore, come nel caso della creazione di parti multistrato con cioccolato o PEEK.

I polimeri utilizzati per i processi di fotopolimerizzazione al tino e di getto di materiale sono solitamente polimeri termoindurenti che contengono fotoiniziatori in grado di ottenere la reticolazione in determinate condizioni di luce a lunghezza d'onda. I primi materiali commerciali erano tutti a base di esteri dell'acido acrilico, ma le resine epossidiche sono state introdotte perché questi materiali presentavano una maggiore contrazione e effetti nocivi dell'ossigeno.

Materiali metallici utilizzati per la fabbricazione additiva

La regola generale per i materiali metallici utilizzati nella produzione additiva è che se un metallo è adatto alla saldatura o alla fusione, è probabile che sia adatto alla produzione additiva.  

Fatta eccezione per i processi di laminazione di fogli sottili (come la fabbricazione additiva a ultrasuoni, che utilizza un generatore di ultrasuoni per formare una saldatura allo stato solido tra fogli metallici prima della lavorazione) e i processi di getto di adesivo metallico (in cui un adesivo viene spruzzato su un letto di polvere metallica), il processo di fabbricazione additiva dei metalli si basa principalmente sulla fusione.

Materiali di lega comuni per la produzione additiva di metalli.

Le leghe comunemente utilizzate per la produzione additiva sono adatte anche per la saldatura/fusione, tra cui Ti-6Al-4V, AlSi10Mg, Acciaio inox 316Le CoNiCr. Quando nella produzione additiva si utilizzano metalli con saldabilità/capacità limitate, i pezzi ottenuti presentano in genere difetti elevati.

Il caso dell'utilizzo della lega di alluminio 6061 per la produzione additiva nella norma nazionale GB/T 5237.5-2019 illustra questo punto: il materiale utilizzato è pre-legato. Al6061, una lega AlMgSi con un ampio intervallo di temperatura di solidificazione e un maggiore coefficiente di espansione termica, che possono causare fratture verticali (in direzione z) dei confini del grano durante la solidificazione.

La miscelazione di particelle di Mg2Si nelle materie prime in polvere di alluminio puro può prevenire la formazione di cricche nelle parti prodotte con la fabbricazione additiva. In questo caso, le caratteristiche di solidificazione/fusione delle materie prime sono dominate dall'alluminio puro, perché il Mg2Si non si scioglie durante la scansione laser.

Come mostrato nella Figura 2b, non è stata osservata alcuna cricca quando il materiale saldabile di puro materiale in alluminio è stato utilizzato.

Inoltre, la scelta della lega metallica adatta al processo di fabbricazione additiva dipende dalle condizioni e dalle attrezzature utilizzate.

Ad esempio, è stato riferito che le macchine per la produzione additiva di Renishaw sono in grado di gestire con successo i materiali Al6061, mentre le macchine DMLS di EOS non possono lavorare questo materiale senza incrinature.

Materiali ceramici per la produzione additiva

L'utilizzo di metodi di fusione per la produzione additiva di ceramica presenta diverse sfide.

Nella maggior parte dei casi, i materiali ceramici hanno punti di fusione molto elevati e una tenacità estremamente bassa, entrambi fattori che possono causare cricche durante il raffreddamento. Alcuni gruppi hanno riportato casi di successo nell'utilizzo di ceramiche ossidate.

Un metodo più comune per lavorazione laser La ceramica è un approccio indiretto che prevede la miscelazione di un legante polimerico con polvere di ceramica. Questa materia prima miscelata può essere lavorata utilizzando il processo di fusione a letto di polvere polimerica o di getto di adesivo, ma i pezzi risultanti devono essere sottoposti a una fase di post-lavorazione per bruciare/convertire il legante e sinterizzare il componente.

Si tratta della cosiddetta produzione additiva indiretta di materie prime ceramiche.

Simile allo stampaggio a iniezione di ceramica, la differenza tra i due è che la produzione additiva utilizza una percentuale inferiore di leganti perché la miscela non deve fluire nella produzione additiva.

Tabella 1: Classificazione dei processi di fabbricazione additiva

Le proprietà meccaniche della ceramica dipendono dal comportamento intrinseco del materiale e dalla dimensione e distribuzione dei difetti. Le statistiche di Weibull sono tipicamente utilizzate per descrivere la resistenza dei materiali ceramici.

Il termine più comune è il modulo di Weibull, che descrive l'intervallo di sollecitazioni in cui potrebbe verificarsi una rottura fragile.

Un modulo di Weibull più basso indica un'ampia gamma di sollecitazioni di guasto, rendendo difficile la previsione della sollecitazione di guasto di un componente specifico: un modulo di Weibull più alto è più ideale in quanto implica una gamma più ridotta di sollecitazioni di guasto e quindi una più facile previsione della sollecitazione di guasto per componenti specifici.

In molti casi, i componenti ceramici prodotti con la fabbricazione additiva hanno un modulo di Weibull più basso rispetto ai componenti ceramici tradizionali pressati e sinterizzati. Tuttavia, con l'eliminazione dei difetti più grandi, anche il modulo di Weibull aumenta.

Proprietà meccaniche dei materiali prodotti in modo additivo

I pezzi prodotti con la fabbricazione additiva sono in genere altrettanto duri e resistenti, se non migliori, di quelli realizzati con metodi di lavorazione tradizionali. Questo è spesso legato alla microstruttura fine generata dalla produzione additiva.

Il modulo elastico dei pezzi prodotti in modo additivo è solitamente uguale o leggermente inferiore ai valori del manuale. Ciò è in gran parte attribuito alla porosità residua, che riduce il modulo.

La duttilità (limite di resistenza alla fatica e tenacità alla frattura) dei pezzi fabbricati in modo additivo è solitamente più bassa, il che sembra essere correlato all'entità della struttura dei difetti. La rimozione dei difetti dai pezzi fabbricati in modo additivo (ad esempio, mediante pressatura isostatica a caldo dei metalli) può solitamente riportare queste proprietà meccaniche ai valori da manuale.

Un'eccezione è rappresentata dalla duttilità dei polimeri fusi a letto di polvere. Nel processo di produzione additiva, i polimeri a catena lunga non si mescolano ai confini delle particelle di materia prima, mentre nello stampaggio a iniezione le catene lunghe dei polimeri si mescolano completamente a causa del taglio.

Ad esempio, le poliammidi prodotte in modo additivo (nylon) hanno una deformazione a rottura di circa 50%, mentre le poliammidi stampate a iniezione hanno una deformazione a rottura di 200-400%.