Una collaborazione tra ricerca universitaria e controllo della produzione
Rowan University ha avviato una collaborazione con Phase3D, azienda statunitense specializzata nei sistemi di ispezione in situ per la manifattura additiva, con l’obiettivo di sviluppare attività di ricerca, formazione e qualificazione dei processi di stampa 3D metallica basate su dati quantitativi.
Il progetto coinvolge il Digital Engineering Hub, indicato come DEHub, della Henry M. Rowan College of Engineering. Il centro universitario riunisce competenze legate alla produzione avanzata, alla sensoristica, alla simulazione, all’elaborazione dei dati e allo sviluppo di gemelli digitali.
Attraverso l’accordo, studenti e ricercatori di Rowan University possono utilizzare il sistema Fringe Inspection di Phase3D durante le lavorazioni eseguite su una stampante metallica LASERTEC 30 SLM US prodotta da DMG MORI.
L’integrazione permette di misurare la superficie del letto di polvere e delle parti dopo ogni fase del processo, trasformando le immagini raccolte all’interno della macchina in mappe tridimensionali dell’altezza. Queste informazioni possono essere utilizzate per riconoscere anomalie, valutare la stabilità della lavorazione e decidere se continuare o interrompere una costruzione.
Il primo test durante una lavorazione non conforme al programma
La collaborazione ha mostrato il proprio valore operativo durante la prima costruzione gestita autonomamente dal gruppo di Rowan University dopo l’installazione del nuovo sistema di manifattura additiva metallica.
Un errore generato durante la preparazione dei dati di produzione ha fatto sì che, per circa 60 strati, la stampante DMG MORI realizzasse soltanto i contorni esterni dei componenti. Il riempimento interno e alcune strutture di supporto previste dal progetto non erano stati prodotti correttamente.
In una lavorazione conforme, il software suddivide il modello tridimensionale in una sequenza di strati. Per ogni livello vengono definite le traiettorie che il laser deve seguire. Queste traiettorie comprendono il perimetro esterno, le aree interne da fondere e le eventuali strutture di sostegno.
Nel caso osservato da Rowan University e Phase3D, il passaggio dai soli contorni alla geometria piena avrebbe potuto provocare un accumulo irregolare di materiale. Le zone prive del sostegno previsto avrebbero potuto deformarsi, sollevarsi oppure sporgere al di sopra del livello del letto di polvere.
Una simile condizione non avrebbe compromesso soltanto i componenti. Una parte sporgente avrebbe potuto entrare in contatto con il recoater, cioè il dispositivo che distribuisce un nuovo strato di polvere metallica sulla piattaforma di costruzione.
L’urto tra il recoater e una parte deformata può danneggiare il componente, alterare la distribuzione della polvere, compromettere gli altri pezzi presenti sulla piattaforma e, nei casi più gravi, causare danni alla macchina.
Una decisione basata sulle misurazioni
Di fronte all’errore, il gruppo di Rowan University avrebbe potuto interrompere subito la lavorazione. Questa scelta avrebbe eliminato il rischio per la macchina, ma avrebbe comportato la perdita del materiale, del tempo di produzione e delle operazioni già completate.
La seconda possibilità consisteva nel proseguire senza disporre di informazioni quantitative sull’evoluzione delle superfici. Una decisione di questo tipo avrebbe esposto la stampante DMG MORI e il recoater a un rischio non misurato.
Rowan University e Phase3D hanno scelto una terza soluzione: continuare la costruzione stabilendo criteri precisi per l’interruzione.
La lavorazione sarebbe stata fermata nel caso in cui le mappe di altezza prodotte dal sistema Fringe Inspection avessero mostrato rigonfiamenti, parti sporgenti, distribuzione incompleta della polvere, distacchi, deformazioni o segnali di interferenza con il recoater.
Il gruppo ha quindi controllato sia la superficie delle zone fuse dal laser sia gli strati di polvere distribuiti durante i passaggi successivi. La possibilità di confrontare le misurazioni di uno strato con quelle dei livelli precedenti ha permesso di seguire il passaggio dai contorni iniziali alla geometria completa dei componenti.
Le mappe non hanno evidenziato rigonfiamenti, distacchi o protrusioni pericolose. Anche la distribuzione della polvere è rimasta uniforme e non sono comparsi segnali di danneggiamento causati dal recoater.
Sulla base di questi dati, Rowan University e Phase3D hanno continuato la costruzione, che è stata completata senza l’arresto della stampante.
Come funziona la fusione laser a letto di polvere
La LASERTEC 30 SLM US di DMG MORI utilizza un processo di produzione additiva metallica appartenente alla famiglia della fusione laser a letto di polvere.
La lavorazione parte da un modello digitale tridimensionale. Il componente viene orientato virtualmente sulla piattaforma, vengono generate le strutture di supporto e il software suddivide la geometria in centinaia o migliaia di sezioni orizzontali.
All’interno della camera di costruzione, un dispositivo distribuisce uno strato sottile di polvere metallica. Un laser fonde in modo selettivo le aree indicate dal file di produzione. La piattaforma viene quindi abbassata e il recoater deposita un nuovo strato di polvere.
La sequenza viene ripetuta fino al completamento dei componenti. Al termine, la polvere non fusa viene rimossa e può essere recuperata, controllata e preparata per ulteriori lavorazioni, in base alle procedure adottate dal produttore.
Il processo consente di realizzare canali interni, strutture reticolari, geometrie alleggerite e forme difficili da ottenere mediante lavorazioni sottrattive. La qualità del risultato dipende però da numerose variabili, tra cui potenza del laser, velocità di scansione, spessore degli strati, granulometria della polvere, atmosfera della camera, orientamento dei componenti e strategia di costruzione.
Un’anomalia comparsa nei primi strati può propagarsi durante l’intero ciclo produttivo. Per questa ragione, il controllo delle condizioni del letto di polvere e delle superfici fuse rappresenta un elemento importante nella produzione di componenti destinati a settori nei quali sono richieste tracciabilità e ripetibilità.
Il ruolo di Fringe Inspection di Phase3D
Il sistema Fringe Inspection sviluppato da Phase3D utilizza la proiezione di frange luminose per ricostruire la topografia della superficie presente nella camera di costruzione.
Un proiettore invia sulla superficie una sequenza conosciuta di linee luminose. Una telecamera osserva il modo in cui queste linee vengono deformate dalla geometria del letto di polvere e delle parti fuse.
Quando la superficie è piatta, la configurazione delle frange segue un andamento regolare. In presenza di un rigonfiamento, di una depressione o di una zona distribuita in modo non uniforme, le linee cambiano forma. Il software di Phase3D analizza queste deformazioni e calcola l’altezza dei punti misurati.
Il risultato viene rappresentato attraverso una heightmap, cioè una mappa nella quale ogni posizione è associata a un valore di altezza. A differenza di una semplice fotografia, la mappa contiene misurazioni espresse in unità fisiche e può essere confrontata con soglie definite dall’operatore.
Fringe Inspection può eseguire misurazioni dopo la distribuzione della polvere, dopo la fusione del materiale e dopo l’abbassamento della piattaforma. In questo modo il sistema può valutare la regolarità del letto, la geometria delle aree consolidate e lo spessore effettivo dello strato depositato.
Secondo Phase3D, ogni acquisizione può comprendere milioni di punti di misura. La quantità di dati permette di analizzare l’intera piattaforma, invece di limitare il controllo a una zona selezionata.
La differenza tra osservazione e metrologia
Le telecamere installate nelle stampanti possono mostrare variazioni nell’aspetto di uno strato. Un operatore esperto può riconoscere una striscia, una zona più scura, un accumulo di polvere o una superficie dall’aspetto differente.
L’immagine, però, non indica necessariamente di quanti micrometri una parte sporga rispetto al letto di polvere. Le condizioni di illuminazione, i riflessi del metallo e l’angolo della telecamera possono modificare l’aspetto della superficie.
Il sistema di Phase3D è progettato per fornire una misura tridimensionale calibrata. Rowan University può quindi utilizzare valori numerici per distinguere una variazione accettabile da una condizione che richiede l’interruzione della lavorazione.
Questo passaggio è centrale per la definizione di una decisione go/no-go. L’operatore non deve scegliere soltanto sulla base dell’aspetto visivo dello strato, ma può confrontare le misurazioni con limiti stabiliti prima o durante la costruzione.
La disponibilità di dati quantitativi non elimina la responsabilità dell’operatore e non garantisce da sola l’assenza di difetti interni. Permette però di documentare la ragione per la quale una lavorazione è stata proseguita, fermata o sottoposta a controlli aggiuntivi.
Individuare i problemi del recoater
Il recoater ha il compito di distribuire uno strato uniforme di polvere. La sua azione influisce sulla densità del materiale disponibile per la fusione e sulla regolarità della superficie.
Una quantità insufficiente di polvere può lasciare aree scoperte. Una distribuzione irregolare può generare strisce, accumuli oppure variazioni locali dello spessore. Il contatto con una parte sollevata può inoltre danneggiare il bordo del recoater, producendo difetti che si ripetono negli strati successivi.
Fringe Inspection di Phase3D può misurare le variazioni di altezza dopo il passaggio del recoater. La comparsa di una striscia nella stessa posizione su più strati può indicare un problema del dispositivo, della distribuzione della polvere o di una parte presente sulla piattaforma.
Nel test condotto da Rowan University, il controllo degli strati successivi all’errore era necessario per verificare che il passaggio alla geometria piena non producesse componenti più alti del livello previsto.
Dati per la qualificazione dei processi
La qualificazione nella manifattura additiva metallica richiede la dimostrazione che macchine, materiali, parametri e procedure siano in grado di produrre risultati coerenti.
Il controllo finale dei componenti può comprendere tomografia computerizzata, analisi metallografica, prove meccaniche, misurazioni dimensionali e controlli non distruttivi. Queste attività restano necessarie in molte applicazioni, ma vengono eseguite dopo che tempo, energia e materiale sono già stati impiegati.
Il monitoraggio in situ permette di raccogliere informazioni mentre la parte viene costruita. Le misure possono essere associate al numero dello strato, alla posizione sulla piattaforma, ai parametri utilizzati e alle anomalie osservate.
Rowan University potrà confrontare i dati di Fringe Inspection con i risultati delle analisi eseguite sui componenti completati. Questo lavoro può aiutare a determinare quali segnali corrispondano a difetti reali e quali variazioni rientrino nel comportamento ordinario del processo.
La correlazione tra misurazioni in-process e qualità finale è uno dei passaggi necessari per utilizzare i dati come supporto alla qualificazione. Non tutte le anomalie osservate durante la costruzione provocano un difetto nel componente e non tutti i difetti interni possono essere riconosciuti osservando soltanto la topografia della superficie.
Per questa ragione, il sistema di Phase3D deve essere considerato come parte di una strategia di controllo che può includere sensori termici, osservazione del bagno di fusione, registrazione dei parametri della macchina e analisi dopo la produzione.
Formazione pratica per gli studenti di Rowan University
La collaborazione permette agli studenti di Rowan University di lavorare con dati ottenuti da una macchina industriale DMG MORI e da una piattaforma di ispezione sviluppata da Phase3D.
Gli studenti possono seguire l’intero percorso di produzione: preparazione del modello, orientamento delle parti, generazione dei supporti, definizione dei parametri, avvio della costruzione, controllo degli strati e analisi dei componenti.
L’errore verificatosi durante la prima lavorazione rappresenta anche un caso didattico. Gli studenti hanno potuto osservare come un problema nella preparazione del file possa trasformarsi in un rischio meccanico per la macchina e come i dati possano essere utilizzati per stabilire una procedura di intervento.
Questo approccio avvicina la formazione universitaria alle condizioni incontrate nei reparti produttivi. Nella manifattura additiva, infatti, il compito dell’ingegnere non consiste soltanto nel progettare una geometria, ma anche nel comprendere la macchina, il materiale, i sensori e i criteri utilizzati per accettare una costruzione.
Il Digital Engineering Hub come ambiente di ricerca
Il DEHub di Rowan University è stato creato per collegare ricerca accademica, industria ed enti pubblici attraverso strumenti di ingegneria digitale.
Le attività del centro comprendono produzione digitale, sistemi connessi, sensoristica, simulazione, modellazione e gestione dei dati. La collaborazione con Phase3D si inserisce in questo percorso perché permette di associare il modello digitale del componente alle informazioni raccolte durante la sua produzione.
I dati strato per strato possono essere integrati con i parametri della LASERTEC 30 SLM US di DMG MORI, con le caratteristiche della polvere e con i risultati delle analisi effettuate sul componente.
L’obiettivo non consiste soltanto nell’osservare una stampa, ma nel costruire una documentazione digitale del processo. Questa documentazione può essere utilizzata per confrontare lavorazioni diverse, riconoscere variazioni della macchina e sviluppare modelli predittivi.
Verso il controllo a ciclo chiuso
Il monitoraggio non coincide con il controllo automatico. Nel progetto descritto, Fringe Inspection di Phase3D ha fornito i dati utilizzati dal gruppo di Rowan University per prendere una decisione.
Un sistema a ciclo chiuso dovrebbe invece rilevare l’anomalia, interpretarla e modificare in modo automatico i parametri della macchina. Potrebbe, per esempio, interrompere il processo, regolare la distribuzione della polvere o adattare la strategia di scansione.
Il controllo automatico della fusione laser a letto di polvere è oggetto di ricerca perché richiede misure affidabili, algoritmi validati e una conoscenza precisa della relazione tra segnale osservato e qualità finale.
La collaborazione tra Rowan University, Phase3D e la piattaforma produttiva di DMG MORI crea un ambiente nel quale queste relazioni possono essere studiate attraverso esperimenti controllati.
Limiti e aspetti da valutare
Le mappe di altezza permettono di riconoscere numerose anomalie superficiali, ma non rappresentano una radiografia del componente. Porosità interne, microfessure, variazioni microstrutturali o difetti metallurgici possono richiedere strumenti differenti.
Anche l’interpretazione dei dati richiede criteri appropriati. Una variazione che risulta critica per un componente sottile potrebbe essere accettabile in una geometria più massiccia. Le soglie devono quindi essere definite considerando materiale, macchina, orientamento e funzione della parte.
Sarà inoltre necessario valutare la ripetibilità delle misurazioni durante periodi prolungati e confrontare i risultati ottenuti sulla LASERTEC 30 SLM US di DMG MORI con quelli prodotti da altre piattaforme.
La standardizzazione della registrazione dei dati avrà un ruolo importante. Per utilizzare le informazioni nella qualificazione, è necessario conoscere la configurazione del sensore, la calibrazione, l’incertezza di misura e il collegamento tra ciascun dato e la posizione corrispondente nel componente.
Un laboratorio per decisioni produttive documentabili
L’accordo tra Rowan University e Phase3D mostra come il monitoraggio in-process possa essere utilizzato non soltanto per individuare un problema, ma anche per motivare la prosecuzione di una lavorazione.
Nel primo test, la presenza di un errore nei dati di preparazione non ha portato automaticamente alla cancellazione della costruzione. Rowan University e Phase3D hanno definito condizioni di arresto verificabili, controllato la superficie di ogni strato e documentato l’assenza delle anomalie considerate più pericolose.
La macchina LASERTEC 30 SLM US di DMG MORI ha quindi completato la produzione sulla base di una valutazione supportata da misure quantitative.
Il progetto fornirà a studenti e ricercatori un archivio di dati per studiare anomalie, distribuzione della polvere, stabilità del processo e relazione tra condizioni di produzione e qualità dei componenti.
Per Phase3D, la collaborazione costituisce un’applicazione della propria tecnologia in un ambiente dedicato alla formazione e alla ricerca. Per Rowan University, rappresenta la possibilità di integrare progettazione, produzione, metrologia e analisi dei dati nello stesso percorso sperimentale.
Il risultato è un modello di laboratorio nel quale la stampa 3D metallica non viene considerata soltanto come una macchina che trasforma un file in un componente, ma come un processo misurabile, documentabile e analizzabile strato dopo strato.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
