La tecnologia di produzione additiva laser (AM), grazie ai suoi vantaggi in termini di elevata precisione di produzione, grande flessibilità e alto grado di automazione, è ampiamente utilizzata nella produzione di componenti chiave in settori quali l'automotive, il medicale, l'aerospaziale, ecc. (come ad esempio ugelli per propellenti per razzi, supporti per antenne satellitari, impianti per uso umano, ecc.). Questa tecnologia può migliorare notevolmente le prestazioni complessive dei pezzi stampati attraverso la produzione integrata di struttura e prestazioni del materiale. Attualmente, la tecnologia di produzione additiva laser utilizza generalmente un fascio gaussiano focalizzato con un'elevata distribuzione di energia al centro e una bassa ai bordi. Tuttavia, questo spesso genera elevati gradienti termici nel materiale fuso, con conseguente formazione di pori e grani grossolani. La tecnologia di modellazione del fascio è un nuovo metodo per risolvere questo problema, migliorando l'efficienza e la qualità di stampa regolando la distribuzione dell'energia del fascio laser.
Rispetto alla produzione sottrattiva e equivalente tradizionale, la tecnologia di produzione additiva dei metalli presenta vantaggi quali tempi di ciclo di produzione ridotti, elevata precisione di lavorazione, alto tasso di utilizzo del materiale e buone prestazioni complessive dei componenti. Pertanto, la tecnologia di produzione additiva dei metalli è ampiamente utilizzata in settori quali quello aerospaziale, degli armamenti e delle attrezzature, dell'energia nucleare, biofarmaceutico e automobilistico. Basata sul principio della sovrapposizione discreta, la produzione additiva dei metalli utilizza una fonte di energia (come laser, arco elettrico o fascio di elettroni) per fondere la polvere o il filo, che vengono poi sovrapposti strato per strato per realizzare il componente desiderato. Questa tecnologia offre vantaggi significativi nella produzione di piccoli lotti, strutture complesse o componenti personalizzati. Anche i materiali che non possono essere o sono difficili da lavorare con le tecniche tradizionali sono adatti alla produzione mediante metodi di produzione additiva. Grazie ai vantaggi sopra menzionati, la tecnologia di produzione additiva ha attirato l'attenzione di numerosi studiosi a livello nazionale e internazionale. Negli ultimi decenni, la tecnologia di produzione additiva ha compiuto rapidi progressi. Grazie all'automazione e alla flessibilità delle apparecchiature per la produzione additiva laser, nonché ai vantaggi complessivi dell'elevata densità di energia laser e dell'elevata precisione di lavorazione, la tecnologia di produzione additiva laser si è sviluppata più rapidamente tra le tre tecnologie di produzione additiva di metalli menzionate in precedenza.
La tecnologia di produzione additiva di metalli tramite laser può essere ulteriormente suddivisa in LPBF e DED. La Figura 1 mostra uno schema tipico dei processi LPBF e DED. Il processo LPBF, noto anche come fusione laser selettiva (SLM), consente di produrre componenti metallici complessi mediante la scansione di fasci laser ad alta energia lungo un percorso fisso sulla superficie di un letto di polvere. La polvere si fonde e solidifica strato per strato. Il processo DED comprende principalmente due processi di stampa: la deposizione per fusione laser e la produzione additiva con alimentazione laser di filo. Entrambe le tecnologie consentono di produrre e riparare direttamente parti metalliche alimentando simultaneamente polvere o filo metallico. Rispetto all'LPBF, il DED offre una maggiore produttività e un'area di produzione più ampia. Inoltre, questo metodo permette di preparare agevolmente materiali compositi e materiali a gradiente funzionale. Tuttavia, la qualità superficiale delle parti stampate con il metodo DED è generalmente scarsa e richiede successive lavorazioni per migliorare la precisione dimensionale del componente.
Nell'attuale processo di produzione additiva laser, il fascio gaussiano focalizzato è solitamente la fonte di energia. Tuttavia, a causa della sua particolare distribuzione energetica (alta al centro, bassa ai bordi), è probabile che causi elevati gradienti termici e instabilità del bagno di fusione, con conseguente scarsa qualità di formatura dei pezzi stampati. Inoltre, se la temperatura al centro del bagno di fusione è troppo elevata, gli elementi metallici a basso punto di fusione vaporizzeranno, aggravando ulteriormente l'instabilità del processo LBPF. Pertanto, con l'aumento della porosità, le proprietà meccaniche e la durata a fatica dei pezzi stampati si riducono significativamente. La distribuzione energetica non uniforme dei fasci gaussiani comporta anche una bassa efficienza di utilizzo dell'energia laser e un eccessivo spreco di energia. Per ottenere una migliore qualità di stampa, gli studiosi hanno iniziato a esplorare la possibilità di compensare i difetti dei fasci gaussiani modificando parametri di processo come la potenza del laser, la velocità di scansione, lo spessore dello strato di polvere e la strategia di scansione, al fine di controllare l'apporto di energia. A causa della finestra di elaborazione molto ristretta di questo metodo, i limiti fisici fissi limitano la possibilità di ulteriori ottimizzazioni. Ad esempio, aumentare la potenza del laser e la velocità di scansione può consentire di ottenere un'elevata efficienza produttiva, ma spesso a scapito della qualità di stampa. Negli ultimi anni, la modifica della distribuzione dell'energia laser attraverso strategie di modellazione del fascio può migliorare significativamente l'efficienza produttiva e la qualità di stampa, e potrebbe rappresentare la futura direzione di sviluppo della tecnologia di produzione additiva laser. La tecnologia di modellazione del fascio si riferisce generalmente alla regolazione della distribuzione del fronte d'onda del fascio in ingresso per ottenere la distribuzione di intensità e le caratteristiche di propagazione desiderate. L'applicazione della tecnologia di modellazione del fascio nella produzione additiva di metalli è illustrata nella Figura 2.
Applicazione della tecnologia di modellazione del fascio nella produzione additiva laser
Le carenze della stampa tradizionale a fascio gaussiano
Nella tecnologia di produzione additiva laser per metalli, la distribuzione energetica del raggio laser ha un impatto significativo sulla qualità dei pezzi stampati. Sebbene i raggi gaussiani siano ampiamente utilizzati nelle apparecchiature di produzione additiva laser per metalli, presentano gravi svantaggi come qualità di stampa instabile, basso utilizzo dell'energia e finestre di processo ristrette. Tra questi, il processo di fusione della polvere e la dinamica del bagno fuso durante il processo di produzione additiva laser per metalli sono strettamente correlati allo spessore dello strato di polvere. A causa della presenza di spruzzi di polvere e zone di erosione, lo spessore effettivo dello strato di polvere è superiore alle aspettative teoriche. In secondo luogo, la colonna di vapore causa i principali spruzzi di getto all'indietro. Il vapore metallico collide con la parete posteriore formando spruzzi, che vengono spruzzati lungo la parete anteriore perpendicolarmente all'area concava del bagno fuso (come mostrato in Figura 3). A causa della complessa interazione tra il raggio laser e gli spruzzi, questi ultimi possono influenzare seriamente la qualità di stampa degli strati di polvere successivi. Inoltre, la formazione di fori a forma di serratura nel bagno di fusione influisce seriamente sulla qualità dei pezzi stampati. I pori interni del pezzo stampato sono causati principalmente da fori di bloccaggio instabili.
Il meccanismo di formazione dei difetti nella tecnologia di sagomatura del fascio
La tecnologia di modellazione del fascio laser consente di ottenere miglioramenti delle prestazioni in più dimensioni simultaneamente, a differenza dei fasci gaussiani che migliorano le prestazioni in una dimensione a scapito delle altre. La tecnologia di modellazione del fascio laser permette di regolare con precisione la distribuzione della temperatura e le caratteristiche di flusso del bagno di fusione. Controllando la distribuzione dell'energia laser, si ottiene un bagno di fusione relativamente stabile con un gradiente di temperatura ridotto. Un'adeguata distribuzione dell'energia laser è vantaggiosa per sopprimere la porosità e i difetti di sputtering, migliorando la qualità della stampa laser su componenti metallici. Ciò consente di ottenere diversi miglioramenti in termini di efficienza produttiva e utilizzo della polvere. Allo stesso tempo, la tecnologia di modellazione del fascio laser offre maggiori possibilità di elaborazione, ampliando notevolmente la libertà di progettazione del processo e rappresentando un progresso rivoluzionario nella tecnologia di produzione additiva laser.
Data di pubblicazione: 28 febbraio 2024
