Ossigeno e umidità: i nemici per la buona riuscita di un processo di stampa 3D

Additive Manufacturing

In un processo di stampa 3D di metallo spesso il gas interviene ed è una variabile di processo a tutti gli effetti. Il gas ha infatti un ruolo fondamentale nella rimozione di fumi di saldatura, schizzi e residui nelle tecnologie SLM (selective laser melting), DED (direct energy deposition) e WAAM (wire and arc Additive manufacturing). Vediamo più in dettaglio come il gas assiste queste tecnologie.

Flusso laminare per le tecnologie SLM

Nella tecnologia più diffusa, ovvero dove avviene la fusione di polvere ad opera di un laser (SLM), il gas di protezione (che ricordiamo, deve essere inerte) viene flussato in continuo a bassa pressione e portata. La camera di stampa viene così completamente inertizzata e il gas presente sarà sempre puro perché continuamente sostituito. Sono necessarie basse pressioni e portate in quanto deve generarsi un flusso laminare, fondamentale per non increspare la superficie delle pozze di metallo fuso e non creare difettosità locali dovute ad accumuli di polvere. Non solo, il gas mediante questo flusso rimuove schizzi di saldatura e impurezze dalla zona di lavoro evitando che il metallo allo stato liquido reagisca con inquinanti e crei difettosità.

Doppia funzione del gas nelle tecnologie DED

Passando invece alle tecnologie con deposizione di polvere in continuo (DED), in questo caso le similitudini con una saldatura laser sono molteplici. Il gas ha due funzioni principali: agire sia come gas di trasporto della polvere metallica ma anche proteggere l’area di fusione dall’ossidazione ambientale. Anche in questo caso, basse portate sono richieste soprattutto per il gas di trasporto della polvere, così da evitare la formazioni di vuoti e difettosità nel manufatto finale. Nel caso del DED, la protezione del bagno di fusione è solo locale e non dell’intera camera come avviene nell’SLM. Infatti in quest’ultimo caso abbiamo un letto di polvere che deve essere protetto per tutta la durata della stampa, mentre nel DED la polvere viene depositata solo durante il passaggio del laser. Indi per cui la protezione è decisamente più locale, esattamente come in una saldatura laser.

Più che protezione nelle tecnologie WAAM

Nelle tecnologie WAAM il gas agisce esattamente come in una saldatura a filo continuo. Ed esattamente con in una saldatura, in funzione delle caratteristiche della stessa si sviluppano alcune varianti: la plasma arc welding (PAW), la gas tungsten arc welding (GTAW o TIG) e la gas metal arc welding (GMAW o MIG). Il gas isola il bagno di fusione localmente nell’intorno della torcia e proprio come in una saldatura, è possibile stampare 3D materiali più “poveri” come il ferro. Anche la platea di gas comunemente utilizzati in Additive quindi si allarga lasciando spazio anche a miscele argon/anidride carbonica e a base elio. In questo caso il gas non ha solo la funzione di proteggere il bagno, ma stabilizza l’arco, influisce sul profilo del cordone di saldatura, la viscosità del bagno, la composizione chimica del giunto e non da meno, nei processi PAW contribuisce alla formazione del plasma stesso.

Gli inquinanti gassosi più comuni nella stampa 3D

Nei processi di Additive che prevedono una fusione di materiale metallico abbiamo visto essere necessario un gas che protegga la pozza di metallo fuso. Ma protezione da cosa? L’ossigeno è il principale inquinante gassoso in una saldatura, in quanto reagisce molto rapidamente con il metallo per formare ossidi indesiderati. Questi ossidi rimarrebbero segregati nella microstruttura finale diventando così potenziali punti di rottura e dando origine ad infragilimento. Ma non solo l’ossigeno può inficiare un processo di stampa 3D: l’umidità infatti gioca un ruolo chiave, soprattutto su materiali molto reattivi. Nel caso del titanio e dell’alluminio infatti l’umidità reagisce per formare non solo ossidi, ma anche idrogeno che, come sappiamo, può generare atmosfere esplosive. È quindi fondamentale controllare il contenuto sia di ossigeno che di umidità durante la stampa 3D, soprattutto nelle tecnologie SLM e DED dove le risoluzioni sono più elevate. Nei nostri laboratori R&D in Giappone abbiamo inoltre dimostrato quanto sia importante controllare entrambi questi due inquinanti in quanto esiste un effetto sinergico tra di essi. La loro combinazione infatti può portare a perdita di proprietà meccaniche, porosità, mancato assorbimento di energia proveniente dal laser da parte del metallo in proporzioni maggiori rispetto alla sola presenza dell’uno o dell’altro inquinante.

Molto spesso i job di stampa durano svariate ore se non addirittura giorni. Il controllo di umidità e ossigeno è quindi estremamente importante e parte della riuscita di una buona stampa 3D, ed è per questo che Rivoira, parte del gruppo Taiyo Nippon Sanso (TNSC), ha messo a punto delle tecnologie volte a perseguire questo obiettivo. Prosegui nella lettura per scoprire le nostre novità.