L’uso di un gas inerte nella stampa 3D di metalli

Additive Manufacturing

Molte delle tecnologie per l’Additive Manufacturing di metalli si basano sulla fusione di una polvere metallica o di un filamento metallico.

Una sorgente ad alta potenza (generalmente un laser) raggiungendo temperature estremamente elevate causa la fusione selettiva del materiale creando l’oggetto finale. Allo stato fuso, il metallo è estremamente sensibile alla presenza di Ossigeno e ciò può influire negativamente sulle proprietà meccaniche finali del pezzo stampato. Per questo motivo, è necessario un gas che protegga la pozza di metallo fuso dall’ambiente esterno. Inoltre questo gas non deve reagire con il metallo, per cui dovrà essere inerte. Il ruolo del gas non si limita solo a fungere da “scudo” contro gli inquinanti che possono reagire con il metallo. Ma è utilizzato anche per rimuovere i fumi di saldatura e le scorie che possono formarsi e soprattutto per dissipare il calore generato dal laser.

Le tecnologie Additive in cui il gas interviene

Esistono due “famiglie” di tecnologie Additive in cui il gas di protezione interviene, ma in entrambe è fondamentale che il gas sia inerte e abbia un’elevata conducibilità termica, in modo che non reagisca e dissipi velocemente il calore generato in situ.

Il primo gruppo di tecnologie è rappresentato da:

SLM (Selective Laser Melting), in cui l’oggetto è costruito mediante fusione selettiva di un letto di polvere, per cui l’intera camera di stampa deve essere inertizzata.

DED (Direct Energy Deposition) o LENS (Laser Engineered Net Shaping), in cui l’oggetto è costruito mediante fusione di polveri erogata coassialmente al fascio laser; il gas ha un duplice compito, il primo come gas di spinta sul circuito delle polveri ed un secondo di protezione della pozza di fusione per evitarne l’ossidazione ed agevolare il trasferimento di calore verso la parte interessata.

EBM (Electron Beam Melting) in cui l’oggetto è costruito mediante fusione selettiva in vuoto di un letto di polvere, per cui il gas (Elio) è utilizzato nella fase di lavaggio post-stampa.

WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), in cui l’oggetto è costruito tridimensionalmente mediante fusione di un filamento metallico e tecnologia ad arco elettrico che spaziano tra il plasma, MIG/MAG, per cui il gas di protezione protegge sia l’elettrodo che la zona di fusione.

Nel secondo gruppo invece il gas interviene nei trattamenti termici post stampa, e in genere viene utilizzata una miscela riducente (Argon e Idrogeno):

FDM (Fused Deposition Modeling), in cui l’oggetto è costruito mediante fusione di un filamento misto (metallo + polimero).

BJ (Binder Jetting), in cui l’oggetto è costruito depositando selettivamente un legante su un letto di polvere.

NPJ (Nanoparticle Jetting), in cui l’oggetto viene costruito mediante deposizione selettiva di nanoparticelle e solvente.

Per approfondire i dettagli di questi due gruppi di tecnologie leggi anche l’articolo dedicato a Come è nata la Metal Additive Manufacturing.

A ciascun gas la propria funzione

I due principali gas utilizzati nei processi di Additive Manufacturing sono Argon e Azoto, ma vi sono alcune differenze essenziali che presuppongono l’utilizzo dell’uno o dell’altro.

L’Argon è il gas di protezione ideale per qualsiasi materiale, che sia reattivo o meno. E’ stabile anche ad alte temperature e grazie alla sua densità, maggiore di quella dell’aria, permette di rimuovere efficacemente tutte le scorie che possono formarsi durante la fusione della polvere.

L’Azoto invece, poiché ad alte temperature diventa reattivo e può quindi reagire con alcuni materiali molto delicati come il titanio e l’inconel, trova impiego quasi unicamente nella stampa degli acciai non al carbonio. Possiede però una conducibilità termica più elevata rispetto all’Argon, il che lo rende più efficace nella rimorzione del calore e di conseguenza stabilizza la microstruttura del materiale.

Oltre a questi due gas principali importante è menzionare anche l’Elio, che trova applicazione in tutte quelle tecnologie con sorgenti ad alta potenza (come l’EBM e il DED) perché dissipa molto velocemente il calore ed evita che la polvere si carichi elettrostaticamente.

Infine abbiamo l’Idrogeno, che trova quasi unicamente impiego nelle atmosfere riducenti dei processi di sinterizzazione post stampa (quindi in tecnologie come il BJ e l’FDM).

In questo breve articolo abbiamo cercato di definire le tecnologie che necessitano di un gas di protezione, come interviene e quali sono le caratteristiche di ciascuno di questi gas. Se hai domande puoi scriverci qui, oppure leggere il prossimo articolo in cui descriviamo gli effetti dannosi che possono avere Ossigeno e umidità sui pezzi stampati in 3D.