Invar 36 e riutilizzo delle polveri LPBF: perché contare semplicemente i cicli può essere il criterio sbagliato

Quante volte si può riutilizzare una polvere metallica prima di doverla scartare? Un nuovo studio italiano sull’Invar 36 suggerisce che la domanda, formulata in questo modo, potrebbe essere sbagliata. Ricercatori del Politecnico di Bari, di IMAST – Distretto Tecnologico sull’Ingegneria dei Materiali Polimerici e Compositi e Strutture, di Sòphia High Tech e del CNR-IPCB – Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali hanno seguito per venti cicli un lotto di polvere Invar 36 utilizzato nel Laser Beam Powder Bed Fusion, recuperando dopo ogni build il materiale non fuso, setacciandolo a 63 µm e aggiungendo il 10% in peso di polvere vergine. Il risultato più interessante non è semplicemente che dopo venti cicli la polvere continuasse a produrre campioni con proprietà sostanzialmente stabili. È la dimostrazione matematica che “20 cicli di riutilizzo” non significa affatto che le particelle presenti nella tramoggia abbiano subito venti build. Con un sistema di refresh continuo, ogni lotto diventa una popolazione composta da particelle con storie molto diverse e il semplice contatore dei cicli perde gran parte del proprio significato fisico.

Lo studio, intitolato “Powder reuse effects on refreshed Invar 36 batches and selected PBF-LB/M part properties”, è stato pubblicato su Materials & Design da un gruppo comprendente Vito Errico, Andrea Angelastro, Nicola Sicignano e Sabina Luisa Campanelli, insieme agli altri ricercatori delle organizzazioni coinvolte. L’Invar 36 è un materiale particolarmente interessante per questo tipo di analisi perché la lega Fe-Ni, con circa il 36% di nichel, viene utilizzata quando è richiesta elevata stabilità dimensionale grazie al suo coefficiente di espansione termica estremamente basso. Trova applicazioni in aerospace, strumenti di precisione, ottica, tooling e stampi per compositi, settori nei quali la ripetibilità delle proprietà del materiale non è un parametro secondario.

I ricercatori hanno confrontato tre condizioni della polvere: N1, il materiale vergine originale; N2, il lotto prelevato dopo dieci cicli di build, recupero, setacciatura e refresh; N3, il lotto dopo venti cicli. Dopo ogni produzione la polvere veniva setacciata attraverso una maglia da 63 µm e reintegrata con 10 wt% di materiale vergine. È proprio quest’ultimo passaggio a cambiare completamente il significato della parola “ciclo”. Se ad ogni iterazione il 10% del materiale viene sostituito, dopo dieci passaggi non rimane il 100% del materiale originario: la frazione teorica del lotto iniziale è circa $0,9^{10}$, cioè 34,9%. Dopo venti passaggi scende a $0,9^{20}$, circa 12,2%. Lo studio calcola inoltre una età media ponderata di esposizione alle build di 5,86 cicli per N2 e 7,91 cicli per N3. Quindi la polvere etichettata operativamente come “riutilizzata venti volte” ha, in media, una storia di esposizione di meno di otto build.

Questo rende evidente perché fissare una regola del tipo “scartare la polvere dopo dieci build” possa essere troppo semplicistico. Dieci cicli possono indicare situazioni completamente differenti a seconda della strategia utilizzata. Un produttore può riutilizzare quasi integralmente la stessa polvere senza aggiungere materiale nuovo; un altro può aggiungere il 10% di vergine dopo ogni build; un terzo può utilizzare un refresh del 30%. Tutti potrebbero dichiarare “dieci cicli”, ma la storia effettiva delle particelle sarebbe profondamente diversa. A questo si aggiungono il rapporto tra volume della parte e volume del powder bed, quantità di spatter generato, posizione del materiale all’interno della camera, atmosfera di processo e metodo di setacciatura.

Lo studio italiano propone quindi di spostare l’attenzione dal numero di cicli allo stato effettivo della polvere. È un cambiamento concettuale importante. Il cycle count può continuare a essere registrato come dato di tracciabilità, ma non dovrebbe essere utilizzato da solo come criterio universale di accettazione o scarto. Molto più significativo è monitorare parametri fisicamente correlati al comportamento del materiale: composizione chimica e in particolare contenuto di ossigeno, distribuzione granulometrica, morfologia, flowability e proprietà dei componenti prodotti.

I risultati sulla chimica mostrano perfettamente perché un andamento lineare non possa essere dato per scontato. La concentrazione di nichel è rimasta fra 36,2 e 36,7 wt%, quindi entro l’intervallo atteso per Invar 36. L’ossigeno era 0,018 wt% nella N1, è salito a 0,031 wt% nella N2, per poi diminuire nuovamente a 0,021 wt% nella N3. Se il semplice numero di cicli fosse direttamente equivalente al deterioramento, ci si aspetterebbe invece N1 < N2 < N3. Il valore della N2 superava di appena 0,001 wt% il massimo dichiarato dal fornitore, ma soprattutto la N3 dimostra che il processo di refresh genera una miscela nella quale le proprietà non devono necessariamente evolvere in modo monotono. Anche azoto, carbonio e zolfo non hanno mostrato un aumento progressivo con il numero nominale di riutilizzi.

Questo non significa che l’ossidazione sia irrilevante. Al contrario, studi precedenti sull’Invar 36 hanno mostrato che una forte ossidazione della polvere può modificare in maniera sostanziale il comportamento durante la fusione laser. Una ricerca pubblicata su Acta Materialia aveva confrontato polvere vergine con materiale deliberatamente ossidato, passando da circa 0,057 wt% a 0,343 wt% di ossigeno, quindi una crescita di circa sei volte. Attraverso imaging a raggi X in situ era stato osservato che la polvere ossidata modificava la dinamica del melt pool e generava spatter più grande, più veloce e più irregolare, con conseguenze sulla formazione dei difetti. Il messaggio dei due studi è quindi coerente: l’ossigeno conta, ma è molto più utile misurarlo che presumere che sia aumentato perché il lotto ha raggiunto un certo numero di cicli.

Anche la granulometria non ha mostrato una deriva progressiva. Dopo il setacciamento, le tre polveri erano ancora prevalentemente quasi sferiche e i valori D50 rimanevano compresi fra 34,4 e 36,7 µm. Non è emerso un aumento o una diminuzione monotona della dimensione delle particelle. Questo aspetto è importante perché durante il riutilizzo possono operare contemporaneamente fenomeni opposti: il setaccio elimina particelle e agglomerati troppo grandi, il processo può generare spatter e satelliti, mentre la manipolazione del letto può favorire la perdita di alcune frazioni fini. Il risultato finale dipende dalla somma di questi meccanismi e dalla strategia di recupero.

Curiosamente, la flowability è risultata migliore nelle polveri riutilizzate rispetto alla vergine. Nel test Hall, N2 ha mostrato un tempo di 13 ± 1 s/50 g e N3 di 14 ± 1 s/50 g, mentre la polvere vergine N1 non fluiva nelle stesse condizioni. A prima vista può sembrare paradossale che una polvere “invecchiata” funzioni meglio, ma è un fenomeno già osservato in altri sistemi metallici. Le particelle molto fini aumentano le forze coesive fra granuli e possono peggiorare il flusso; il riutilizzo, il recupero e il setacciamento possono modificare la distribuzione delle frazioni fini, portando talvolta a una polvere che scorre più facilmente. Polvere riutilizzata non significa quindi necessariamente polvere progressivamente peggiore in ogni parametro.

Questo punto è rilevante anche dal punto di vista produttivo. Nel PBF-LB un buon flusso facilita la deposizione di layer uniformi, ma non rappresenta da solo una garanzia di qualità. Una polvere può mostrare ottima flowability e contemporaneamente avere una chimica non più accettabile per una determinata applicazione. È proprio per questo che un criterio multidimensionale è preferibile al singolo numero di build.

I campioni stampati non hanno mostrato un degrado progressivo significativo nelle proprietà misurate. La densità relativa è rimasta fra 99,38% e 99,88%, mentre la porosità ottica media era compresa fra 0,04% e 0,21%. La rugosità superficiale Ra variava fra 6,97 e 8,48 µm, ma senza un andamento monotono legato a N1, N2 e N3; le differenze risultavano anche dipendenti dalla posizione considerata sul provino. La microdurezza si è mantenuta in un intervallo molto ristretto, 141–145 HV0.3. Anche la microstruttura conservava la tipica morfologia colonnare-dendritica associata alla solidificazione rapida dell’Invar 36 prodotto mediante PBF-LB/M.

Particolarmente interessante è il comportamento termico dopo trattamento. L’Invar viene utilizzato precisamente per il proprio bassissimo coefficiente di espansione, quindi sarebbe poco utile dimostrare che il riutilizzo non modifica la durezza se contemporaneamente distruggesse la caratteristica più importante della lega. I campioni trattati hanno invece mantenuto una risposta di espansione termica molto ridotta fra −50 e 100 °C, con CTE incrementale a 100 °C di circa 1,04–1,06 × 10⁻⁶ K⁻¹. Le curve mostravano inoltre il caratteristico cambiamento di pendenza nell’area di 230–250 °C, associata alla regione della temperatura di Curie e alla perdita progressiva dell’effetto Invar.

Proprio questi risultati rendono pericolosa una conclusione troppo semplicistica come “Invar 36 può essere riutilizzato venti volte”. Gli autori sottolineano infatti che N3 rappresenta soltanto la condizione più avanzata studiata nell’esperimento. Venti cicli non vengono proposti come nuovo limite universale, né lo studio dimostra che il ventunesimo ciclo sia sicuro e il trentesimo no. Dimostra qualcosa di diverso: in quel processo, con refresh del 10%, setacciatura a 63 µm e quelle specifiche condizioni di produzione, il lotto nominalmente al ventesimo ciclo continuava a soddisfare le proprietà analizzate.

La distinzione è fondamentale per l’utilizzo industriale. Un’altra macchina, un altro sistema di filtrazione o un differente rapporto tra volume di powder bed e materiale fuso potrebbero produrre una evoluzione diversa. Anche la geometria del componente può influire: una build con un grande volume fuso può generare una quantità e una distribuzione di spatter diverse rispetto a una piattaforma quasi vuota. L’esposizione termica della polvere e il tempo trascorso nella camera cambiano. Il riutilizzo è quindi un problema di processo e materiale insieme, non una proprietà fissa della lega.

Il concetto di “età della polvere” dovrebbe essere trattato più come una distribuzione che come un numero. In un lotto continuamente rinfrescato convivono particelle nuove, particelle utilizzate una volta, altre che hanno attraversato cinque, dieci o anche venti build. Il valore medio ponderato aiuta a descrivere la popolazione, ma neppure questo cattura interamente la distribuzione. Dopo venti cicli con refresh del 10%, per esempio, rimane ancora circa il 12% della polvere iniziale, mentre una parte significativa è entrata nel sistema soltanto negli ultimi cicli. È molto simile a una popolazione demografica: dire che una città ha un’età media di 42 anni non significa che tutti gli abitanti abbiano 42 anni.

Questa lettura rende anche il refresh rate una vera variabile di processo. Passare dal 5 al 10 o al 20% di polvere vergine non modifica semplicemente il costo del materiale; modifica l’intera distribuzione delle età delle particelle. Un refresh elevato diluisce più rapidamente il materiale maggiormente esposto, ma aumenta il consumo di polvere nuova. Un refresh molto basso riduce il consumo di feedstock vergine ma mantiene più a lungo nel sistema le particelle con elevata storia termica e di processo. L’ottimo deve quindi essere trovato considerando contemporaneamente qualità, costo e requisiti dell’applicazione.

È esattamente il tipo di problema nel quale un sistema di tracciabilità della polvere diventa più utile di una regola rigida. Per ogni build potrebbero essere registrati massa recuperata, massa vergine aggiunta, quantità scartata, PSD, ossigeno, flowability e dati relativi alle parti prodotte. In questo modo sarebbe possibile costruire una vera “powder genealogy” digitale invece di associare semplicemente al contenitore l’etichetta “cycle 12”. Per produzioni aerospace e altre applicazioni critiche, questo approccio può diventare parte del controllo statistico del processo.

La filosofia non è distante dalle indicazioni già presenti negli standard e nelle specifiche aerospace. La documentazione NASA per il Laser Powder Bed Fusion, ad esempio, richiede che l’effetto del riutilizzo sul comportamento del materiale sia dimostrato come trascurabile oppure che i dati delle proprietà corrispondenti allo stato limite del feedstock vengano incorporati nella qualificazione del processo. Soprattutto, sottolinea che gli effetti del riutilizzo sono specifici della lega e devono essere supportati da un piano di prova e da metriche adeguate. In altre parole, nemmeno in un sistema regolato ha molto senso applicare automaticamente lo stesso limite di cicli a Invar 36, Ti-6Al-4V, Inconel 718 e acciaio 316L.

La letteratura su altre leghe conferma infatti comportamenti molto diversi. Nel Ti-6Al-4V, per esempio, alcuni studi hanno osservato un incremento dell’ossigeno con il riutilizzo accompagnato da leggero aumento della resistenza e diminuzione della duttilità, mentre la posizione rispetto al flusso del gas può influenzare la generazione dei difetti e la fatica. Su IN738LC il riutilizzo ha mostrato un aumento degli ossidi superficiali della polvere, effetti limitati sulla resistenza monotona ma un peggioramento e una maggiore dispersione della vita a fatica. In studi su NASA HR-1 utilizzato in DED, cinque riutilizzi non hanno invece prodotto variazioni rilevanti nelle proprietà di trazione e fatica. Il numero di cicli, da solo, non può quindi essere trasferito da una lega all’altra.

Lo studio sull’Invar 36 ha però anche limiti importanti. Le proprietà dei componenti analizzate comprendono densità, porosità, rugosità, microdurezza, microstruttura ed espansione termica, ma non rappresentano l’intero spettro necessario per qualificare una parte critica. Non sono sufficienti, per esempio, per concludere che N3 abbia comportamento identico a N1 in termini di resistenza a trazione, duttilità, fracture toughness, creep o vita a fatica. Quest’ultima può essere estremamente sensibile anche a una piccola popolazione di difetti non rilevante nella densità media. Gli stessi autori indicano la necessità di valutare ulteriori proprietà meccaniche e termofisiche in funzione dell’applicazione.

Questo è particolarmente importante per l’Invar utilizzato in aerospace. Due lotti possono avere entrambi densità superiore al 99,5% e durezza quasi identica, ma una diversa distribuzione di inclusioni o pori può influenzare significativamente la fatica. Allo stesso modo una concentrazione media di ossigeno accettabile non esclude necessariamente la presenza localizzata di ossidi sulle superfici delle particelle o nello spatter. La qualificazione condition-based richiede quindi più misure, non meno controlli.

Il vantaggio è che permette di controllare ciò che fisicamente determina la qualità invece di utilizzare un indicatore amministrativo come proxy. Se dopo 25 cicli una polvere conserva chimica, PSD, morfologia e proprietà dei campioni entro una finestra qualificata, non esiste necessariamente una ragione scientifica per scartarla soltanto perché è stato raggiunto il numero 25. Viceversa, se dopo cinque cicli l’ossigeno supera il limite o la morfologia cambia in modo significativo, il fatto che il regolamento interno permetta dieci cicli non rende automaticamente sicuro continuare a utilizzarla.

La conseguenza economica può essere importante. Nel PBF-LB soltanto una frazione della polvere distribuita nel volume di lavoro viene effettivamente incorporata nei pezzi. Scartare automaticamente tutto il materiale residuo dopo un numero arbitrario di build può aumentare notevolmente il costo per componente, soprattutto nel caso di leghe costose. Allo stesso tempo, estendere il riutilizzo senza controllo può produrre scarti ancora più costosi o, nel peggiore dei casi, compromettere componenti qualificati. Il valore dello studio italiano sta quindi nel proporre una via intermedia: non riutilizzare la polvere indefinitamente e non scartarla in base al calendario, ma utilizzare dati di condizione e prestazione per stabilire se il feedstock sia ancora adatto.

Per l’Industria 4.0 e la produzione digitale il concetto è particolarmente coerente. Ogni lotto di polvere potrebbe avere un digital record nel quale massa e composizione vengono aggiornate dopo ogni ciclo. Conoscendo quanto materiale viene recuperato e quanta polvere vergine viene aggiunta, è possibile calcolare automaticamente la distribuzione teorica delle età e correlarla con analisi periodiche di ossigeno, granulometria, flowability e test su coupon. In prospettiva, questi dati potrebbero alimentare modelli predittivi capaci di indicare quando effettuare una nuova caratterizzazione o aumentare la percentuale di refresh.

Il risultato più importante dello studio non è quindi che N3 sia risultata “buona dopo venti cicli”. È aver dimostrato che il concetto stesso di ventesimo ciclo descrive male ciò che si trova realmente nel contenitore. Con un refresh del 10%, la polvere nominalmente al ventesimo ciclo aveva un’età media ponderata di appena 7,91 build e conservava ancora il 12,2% delle particelle provenienti dal lotto iniziale, mescolate con materiale introdotto progressivamente durante tutta la campagna. La chimica non è peggiorata in modo monotono, la distribuzione granulometrica è rimasta stabile, la flowability è addirittura migliorata rispetto alla polvere vergine e i campioni non hanno mostrato un deterioramento sistematico delle proprietà analizzate.

La conclusione non è che il limite di cicli debba essere eliminato senza sostituzione. È che dovrebbe essere sostituito, o almeno affiancato, da criteri molto più informativi: quanto materiale vergine è stato aggiunto, quale storia effettiva possiede la popolazione di particelle, come sono cambiati ossigeno, granulometria e morfologia e quali proprietà mostrano i componenti prodotti. Per l’Invar 36 studiato a Bari, questo approccio ha dimostrato che il ventesimo ciclo nominale non rappresentava affatto una polvere uniformemente “vecchia”. Per il metal additive manufacturing industriale, la lezione potrebbe essere ancora più generale: la polvere non dovrebbe essere qualificata in base alla sua età dichiarata, ma in base alle condizioni che presenta realmente.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).