Le soluzioni Rivoira per la Metal Additive Manufacturing

Introduzione all’Additive Manufacturing

La manifattura additiva (o più comunemente nota con il termine inglese, Additive Manufacturing) nasce più di trent’anni fa, ma solo negli ultimi anni ha avuto una significativa diffusione sul mercato. Ripercorriamo insieme la sua evoluzione nel tempo e come si è arrivati a quella che oggi è definita come la tecnologia principe dell’industria 4.0.

L’Additive Manufacturing vede la sua nascita nel 1983, quando Charles C. Hull inventò un metodo per produrre oggetti solidificando una resina polimerica liquida tramite l’utilizzo di lampade ultraviolette e lo brevettò. Nacque così la prima tecnica di stampa 3D, la stereolitografia. Vide la luce anche il relativo formato file STL, che contiene le informazioni da inviare alla stampante in merito all’oggetto da stampare. Dopo aver depositato il brevetto, fondò la 3D Systems nel 1986, azienda ancora oggi attiva nel mercato additive.

Hull non fu il solo ad esplorare il mondo dell’Additive Manufacturing. Nel 1986 Carl Deckard, Joseph Beaman e altri ricercatori provarono a sostituire alla resina liquida una solida in polvere, utilizzando nello specifico del nylon. Inventarono così la tecnologia SLS (selective laser sintering), che si basava sulla fusione di una polvere (polimero, metallo, cera) mediante un laser ad alta potenza. A seguito di queste due grandi invenzioni la stampa 3D è esplosa negli anni, ma è solo con la scadenza dei primi brevetti che si è fatta conoscere nel mondo e ha permesso la sua diffusione anche tra i privati e non solo tra le aziende. Ad oggi, i materiali più diffusi stampati in 3D sono polimeri e metalli, ma si stanno facendo strada le ceramiche, i compositi, la sabbia e la cera.

A causa delle innumerevoli tecnologie nascenti e dei loro acronimi, nel 2012 si è sentita l’esigenza di redigere una norma che definisse la stampa 3D in tutti i suoi aspetti: nasce così la norma ASTM F2792. Questa norma definisce la stampa 3D come “il termine generale per tutte quelle tecnologie che basate su una rappresentazione geometrica creano oggetti fisici per addizione successiva di materiale strato su strato”.

Secondo questa norma, le tecnologie di Additive si suddividono nelle seguenti categorie di processo:

  • Binder jetting – un agente liquido viene depositato selettivamente su strati di polvere
  • Directed energy deposition – un’energia termica viene focalizzata per fondere materiale non appena viene depositato
  • Material extrusion – il materiale viene depositato attraverso un ugello o orifizio
  • Material jetting – gocce di materiale vengono depositate selettivamente
  • Powder bed fusion – un’energia termica fonde selettivamente parti di un letto di polvere
  • Sheet lamination – lamine di un materiale vengono unite tra di loro
  • Vat photopolymerization – un polimero fotopolimerizzabile liquido viene indurito selettivamente da una polimerizzazione luce-attivata

Molte di queste tecnologie possono essere utilizzate con più materiali, sia polimerici che metallici. Per ciò che riguarda questi ultimi, le tecnologie coinvolte sono: binder/material jetting, directed energy deposition, material extrusion, powder bed fusion, sheet lamination. Focalizziamoci ora su quali tra queste necessitano dell’utilizzo di un gas inerte in fase di stampa.

Ti interessa approfondire la storia di Come è nata la Metal Additive Manufacturing? Leggi questo articolo.

La necessità di un gas di protezione

Come abbiamo appena visto, esistono varie tecnologie per la stampa 3D di metalli, ma le più diffuse restano la powder bed fusion e la directed energy deposition, basate sulla fusione di polvere metallica mediante una sorgente molto potente. L’oggetto è costruito mediante fusione di uno strato di polvere e, mentre questo è ancora parzialmente fuso, si ri-deposita un altro strato di polvere che fondendosi a sua volta “si lega” allo strato precedente. Le temperature raggiunte per permettere la fusione del materiale sono di conseguenza estremamente alte (oltre i 700°C) e allo stato liquido il metallo è più facilmente ossidabile. La presenza di metallo ossidato nel prodotto finale causerebbe potenziali cricche o perdita di proprietà meccaniche, per cui deve essere evitata la formazione di ossidi.

Di conseguenza alcuni processi di metal additive manufacturing necessitano di un gas di protezione che:

  1. protegga il metallo fuso dall’ossidazione dovuta all’ambiente esterno
  2. rimuova le scorie che si formano durante la fusione.

Vediamo in dettaglio quali sono le tecnologie di metal Additive Manufacturing che necessitano di un gas di protezione (per approfondire ulterioremente le tecnologie disponibili dove sono necessari gas di protezione leggi questo articolo).

SLM (Selective Laser Melting), in cui l’oggetto viene 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 viene 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 viene costruito mediante fusione selettiva in vuoto di un letto di polvere, per cui il gas (Elio) viene utilizzato nella fase di lavaggio post-stampa

WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), in cui l’oggetto viene 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.

Il gas di protezione deve avere due caratteristiche principali:

  • Non deve reagire con il metallo fuso (deve essere inerte)
  • Deve avere un’alta conducibilità termica (ovvero deve dissipare il calore generato dalla fusione)

Esistono inoltre altri processi di metal Additive Manufacturing dove il gas interviene:

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

BJ (Binder Jetting), in cui l’oggetto viene 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

In queste tecnologie il gas trova impiego nei trattamenti termici di sinterizzazione post stampa. In questo caso, è necessaria una miscela riducente composta da Argon e una piccola quantità di Idrogeno in modo da sinterizzare il pezzo evitando che si ossidi e rimuovendo al contempo tutto ciò che non è metallico (solventi, polimeri…).

Abbiamo quindi capito quanto è importante utilizzare un gas inerte durante la stampa di un oggetto metallico. Vediamo ora in dettaglio come e quali gas sono in gioco.

Il ruolo di Argon, Azoto, Elio e Idrogeno nell’additive

A seconda del metallo (o lega) da processare, il gas di protezione può cambiare. Cerchiamo di capire i vantaggi e svantaggi dell’utilizzo di Argon o Azoto in funzione delle caratteristiche richieste e dei materiali da processare.

Argon

In termini di reattività, l’Argon è il gas inerte per eccellenza. Indipendentemente dal materiale stampato (titanio, inconel, alluminio, acciai al carbonio, superleghe, rame) e dalle temperature raggiunte in camera (superiori ai 700°C) è completamente inerte e permette quindi di stampare qualsiasi materiale disponibile sul mercato. L’Azoto invece diventa reattivo ad elevate temperature, e nel caso di contatto con materiali come il titanio o l’alluminio può produrre nitruri e ossidi nonché composti esplosivi, causando difetti nel pezzo finale. Per processi a letto di polvere, l’Argon grazie alla sua densità (maggiore rispetto a quella dell’aria) rimuove efficacemente scorie e fumi di saldatura proteggendo le pozze di metallo fuso.

Azoto

In termini di conducibilità termica, l’Azoto possiede circa il 40% in più di conducibilità termica rispetto all’Argon, il che lo rende molto più efficiente nella dissipazione del calore locale. Data però la sua reattività nei confronti di materiali particolari come il titanio e l’alluminio, l’Azoto trova eccellente impiego nella stampa di acciai non al carbonio. Infatti la maggiore velocità di raffreddamento data dall’Azoto permette la stabilizzazione della microstruttura e favorisce la fase austenitica a temperatura ambiente.

Elio

L’Elio attualmente trova impiego principalmente nella tecnologia EBM. In questo processo, l’utilizzo di piccole quantità di Elio durante la stampa evita che la polvere metallica possa caricarsi elettricamente. Inoltre grazie alla sua alta conducibilità termica viene utilizzato al termine della stampa per raffreddare velocemente sia il manufatto che le polveri. Le sue straordinarie caratteristiche ben si applicano a processi effettuati con sorgenti estremamente potenti nei quali la velocità di stampa è molto elevata, ovvero non solo nell’EBM ma anche nel DED. Infatti l’Elio grazie al suo elevato potenziale di ionizzazione evita la formazione di plume indesiderati come può succedere nel caso di Argon. Purtroppo l’elevato costo e volatilità lo rendono poco applicabile in stampe a basso valore aggiunto.

Idrogeno

L’Idrogeno invece, in miscela con l’Argon, trova applicazione quasi unicamente nei processi di sinterizzazione a valle di quei processi di stampa 3D che prevedono la rimozione di un legante o di un polimero.

Ossigeno e umidità: due inquinanti dannosi

L’Additive Manufacturing di materiali metallici (come di polimeri o compositi) è spesso governata da moltissime variabili, quali la velocità del laser, il pattern di scanning, la potenza, il flusso del gas…

Considerando un sistema SLM, sicuramente uno degli scopi del gas è quello di rimuovere non solo scorie e fumi di saldatura, ma anche Ossigeno e umidità che possono essere presenti in camera. Questi due inquinanti possono essere estremamente dannosi a seconda del materiale presente in camera: in caso di alluminio o titanio, questi reagiranno con l’umidità per formare Idrogeno e ossido metallico; in caso di acciai, potrebbero innescarsi difettosità .

Ossigeno ed umidità sono quindi pericolosi perché produrrebbero danni all’intera microstruttura del materiale: infatti i difetti sopracitati si generano durante la stampa e restano segregati all’interno dell’oggetto. Esternamente quindi si potrebbe pensare ad un manufatto privo di difettosità, ma all’interno queste potrebbero essere ben presenti.

Inoltre, grazie agli studi effettuati nei nostri laboratori, abbiamo dimostrato l’esistenza di un effetto sinergico di Ossigeno e umidità che può influire negativamente sulle caratteristiche finali del manufatto. Per rispondere quindi all’esigenza di controllare e, di fatto, eliminare due variabili cruciali come le concentrazioni di Ossigeno e umidità, Rivoira, parte del gruppo Taiyo Nippon Sanso Corporation (TNSC) ha sviluppato una serie di tecnologie a supporto dell’intero processo. In questo modo, la riproducibilità di un processo di metal Additive Manufacturing può non essere più invalidata da concentrazioni di Ossigeno e umidità incontrollate. Vediamole in dettaglio.

Le soluzioni di Rivoira per la metal Additive Manufacturing

Nei laboratori di ricerca e sviluppo di Yamanashi in Giappone, dove Taiyo Nippon Sanso Corporation (TNSC) possiede diverse stampanti 3D a metallo, sono nate tecnologie in grado di controllare e limitare il contenuto di Ossigeno e umidità su tutta la filiera produttiva. Il loro uso combinato è in grado quindi di dare le migliori performance in merito.

Stoccaggio polveri

Iniziamo dallo stoccaggio delle polveri. Se non viene effettuato correttamente, data l’elevata area superficiale delle polveri, il rischio è un adsorbimento di umidità nel corso del tempo che darà origine a scarsa scorrevolezza in camera (dovuta alla formazione di cluster) e soprattutto al rilascio di tale umidità durante la stampa. Ed è proprio per eliminare tali inconvenienti che Rivoira ha sviluppato un armadio di stoccaggio polveri in atmosfera inerte, il 3D Pro® Cabinet. E’ disponibile in due versioni: una con piani riscaldati e una con piani a temperatura ambiente. L’utilizzo dei piani riscaldati prevede un essiccamento più veloce e più efficace anche per stoccaggi più brevi. Inoltre, un sistema di telemetria è in grado di monitorare le concentrazioni di ossigeno e umidità nell’armadio e di verificare il raggiungimento di livelli estremamente bassi e costanti.

Connessione bombola/stampante

Passiamo ora a tutto ciò che si frappone tra il gas contenuto nella bombola (o pacco bombole) e la camera di stampa. Come essere sicuri del fatto che il gas non venga inquinato durante il percorso, magari dovuto alla presenza di tubi non idonei che assorbono umidità? Per assicurare l’arrivo alla macchina di un gas puro come uscito direttamente dalla bombola proponiamo il 3D Pro® Dry Tube, ovvero un tubo multistrato ad alta pressione di connessione diretta bombola/stampante in grado di evitare la permeabilità ad ossigeno, umidità ed impurezze. Mantiene quindi il gas isolato dall’ambiente esterno, favorendo anche tempi più brevi di lavaggio pre-stampa della macchina. In aggiunta al Dry Tube, grazie alla nostra profonda conoscenza del mondo della saldatura, abbiamo sviluppato anche 3D Pro® Purifier, una speciale cartuccia filtrante in grado di trattenere inquinanti e impurezze riducendo la soglia inferiore ad 1 ppm. Può essere posizionata poco prima dell’ingresso del gas in camera, in modo da eliminare la possibilità che ossigeno ed altre impurezze entrino e reagiscano o inquinino il materiale da stampare.

Sistema avanzato di ricircolo

Analizziamo ora cosa succede durante la stampa. Abbiamo visto che il gas inerte (Argon o Azoto) deve rimuovere calore, fumi di saldatura e impurezze desorbite dalla polvere. Tutto questo gas “inquinato” dovrebbe quindi essere rimosso e progressivamente sostituito con gas fresco e puro. Come possiamo però recuperare parte del gas esausto anche in un’ottica di risparmio? A tale scopo abbiamo sviluppato un sistema di ricircolo avanzato denominato 3D Pro® Recirc Advanced System. Questo sistema, equipaggiato con un sistema assorbente che lavora in discontinuo, è in grado di recuperare parte del gas di ricircolo e purificarlo dalle impurezze gassose. In questo modo i sensori in macchina rileveranno sempre bassi quantitativi di Ossigeno riducendo la necessità di immettere nuovo gas. Il 3D Pro® Recirc Advanced System è l’unico che prevede una modifica alla stampante, ma i vantaggi che ne derivano soprattutto su job molto lunghi sono tangibili.

Gestione bombole/pacchi in uso e in scorta

Passiamo ora alla gestione pratica del gas. Spesso i job di stampa sono estremamente lunghi, spesso si parla di ore o anche giorni per terminare la stampa di un pezzo in funzione della tecnologia prescelta. Si pone quindi di frequente la domanda: il gas contenuto in un pacco bombole o in una bombola sarà sufficiente per l’intero job? Per ovviare a questo problema Rivoira ha sviluppato due tecnologie estremamente utili: un sistema di decompressione a scambio automatico e il controllo telemetrico della pressione residua all’interno dei pacchi bombole. Il sistema a scambio automatico, anch’esso equipaggiato di una cartuccia 3D Pro®Purifier, permette di utilizzare il gas contenuto in un pacco bombole di backup una volta finito quello in uso, in modo totalmente automatico. In questo modo soprattutto in caso di job notturni, si può contare su una disponibilità di gas complessiva di due pacchi bombole e non uno solo. Inoltre il controllo telemetrico della pressione residua, ovvero un sistema in grado di monitorare la pressione residua all’interno del pacco permette quindi all’utente di ordinare (o di attivare il riordino automatico) di altri pacchi bombole prima che l’ultimo finisca.

Sistema di telemetria

Data la gestione sempre più frequente da remoto di questo tipo di tecnologia, Rivoira ha deciso di investire su un sistema di telemetria (e quindi di controllo da remoto) dei contenuti di ossigeno e umidità presente sull’armadio di stoccaggio e sul sistema di Recirc chiamato 3D Pro® Link. In questo modo l’utente potrà controllare dal proprio PC o smartphone in ogni momento queste variabili alle quali si aggiunge la pressione residua dell’ultimo pacco bombole in uso. In questo modo è possibile eliminare le concentrazioni di ossigeno e umidità dalle tante variabili di processo che necessitano di controllo e modifica. Siamo i professionisti del gas, e siamo orgogliosi di portare le nostre competenze in un settore tanto innovativo quanto promettente aiutando gli utenti ad ottimizzare il loro processo.

Conclusioni

Le soluzioni proposte da Rivoira per la metal Additive Manufacturing sono in grado di eliminare (perché controllate e mantenute a bassi livelli) due variabili potenzialmente dannose per la perfetta resa del manufatto stampato, Ossigeno e umidità. Le difettosità microstrutturali dovute a questi inquinanti sarebbero quindi eliminate, e si effettuerebbe la stampa con la certezza di avere un manufatto privo di specie chimiche indesiderate non solo superficiali ma anche di bulk.

Queste soluzioni interessano l’intera filiera produttiva: l’armadio di stoccaggio 3D Pro® Cabinet mantiene le polveri in atmosfera inerte evitando che assorbano inquinanti che potrebbero influire sulle loro proprietà fisiche; il 3D Pro® Dry Tube non permette l’assorbimento di umidità, Ossigeno e impurezze nel percorso dalla bombola alla stampante; la cartuccia 3D Pro® Purifier garantisce livelli al di sotto del ppm di questi inquinanti; il sistema 3D Pro® Recirc Advanced System purifica una parte del gas in uscita e lo reimmette permettendo anche un risparmio economico; il quadro di decompressione a scambio automatico e la telemetria permettono una maggiore autonomia di gas e il riordino automatico di pacchi bombole al bisogno; infine il sistema 3D Pro® Link permette un pieno controllo da remoto della purezza del gas in tutte le fasi della stampa.

L’obiettivo di Rivoira non è solo quello di offrire soluzioni, ma anche essere partner tecnologici per studiarne insieme di nuove.