Spesso vediamo la stampa 3D in metallo utilizzata per realizzare parti in acciaio , quindi sono in corso molte ricerche sulle proprietà dei materiali . I ricercatori della VSB – Technical University of Ostrava nella Repubblica Ceca hanno pubblicato un documento, ” Ricerca sulla polvere metallica 316L per l’uso nella stampa 3D SLM “, riguardante lo studio della polvere AISI 316L di Renishaw per l’uso nella tecnologia Selective Laser Melting (SLM).
“Comprendere il processo SLM è estremamente impegnativo, non solo a causa del gran numero di fenomeni termici, meccanici e chimici che si verificano qui, ma anche in termini di metallurgia. La presenza di tre stati (solido, liquido, gassoso) complica la capacità di analizzare e formulare una formula modello per una corretta simulazione e previsione delle prestazioni delle parti quando stampate ”, hanno spiegato. “Poiché il processo SLM opera su una base in polvere, questo processo è più complicato da un altro fattore rispetto all’uso di altro materiale sfuso. Le proprietà della polvere di stampa usata definiscono in larga misura la qualità del pezzo finito. “
Poiché il materiale può influire sulle proprietà finali di una parte stampata in 3D SLM, la ricerca della polvere deve essere effettuata in anticipo per ottenere i migliori risultati. La dimensione, la forma, la fluidità, la morfologia e la distribuzione delle dimensioni delle particelle sono fattori chiave nella realizzazione di uno strato di polvere omogeneo e l’utilizzo dell’atomizzazione del gas per produrre particelle sferiche aiuta a raggiungere un’alta densità di impaccamento; questo può anche essere migliorato con piccole particelle.
I ricercatori hanno studiato tre fasi di polvere metallica presente nel processo SLM: polvere vergine (fornita dal produttore), polvere di prova che era stata setacciata 30 volte e polvere di scarto “che si era depositata nel setaccio e non era più trattata e smaltita “. Hanno usato un acciaio inossidabile austenitico non magnetico, legato con elementi come nichel e cromo e contenente una bassa percentuale di carbonio.
La microscopia elettronica a scansione (SEM) è stata utilizzata per studiare la morfologia delle polveri, che “influenza l’applicazione della polvere di metallo mediante laser in termini di fluidità e densità di impaccamento”. Innanzitutto, è stata misurata e valutata la forma delle particelle di polvere, quindi è stata completata una valutazione della qualità visiva per esaminare la qualità sferica e il contenuto del satellite (irregolarità della forma). Il team ha scoperto che molte particelle avevano satelliti, ma che questo numero aumentava in polvere sovradimensionata.
Fig. 1. Immagine SEM di polvere vergine 316L, ingrandimento x180
“La misurazione della polvere vergine (Fig. 1) rivela che la produzione di polvere mediante atomizzazione a gas non è perfetta e la forma di alcune particelle non è perfettamente sferica”, hanno scritto i ricercatori. “È anche possibile osservare i satelliti (piccole particelle incollate a quelle più grandi, Fig. 2), che sono di nuovo un difetto del metodo di produzione.”
Fig. 2. Illustrazione satellitare, ingrandimento x900
Scoprirono che la forma delle particelle “non era sempre isometrica” e che forme cilindriche, allungate e irregolari apparivano accanto a particelle sferiche in polveri di dimensioni eccessive.
“Un altro fenomeno interessante si è manifestato nella polvere setacciata, dove sono state osservate particelle con una superficie più liscia e più sferica rispetto alle particelle originali. Ciò è probabilmente dovuto al processo di fusione e solidificazione specifico di AM ”, hanno osservato.
Fig. 3. Difetti morfologici – a) fusione di particelle; b) impurità di gas; c) agglomerato – particella sinterizzata;
d) struttura delle particelle dendritiche; e) particella sferica; f) particelle con un satellite
È stato usato un metodo ottico per misurare la porosità della polvere. La polvere di 316L è stata incorporata in una resina ed è stata “indurita con uno strato di 1 mm” dopo l’indurimento prima che le particelle fossero tagliate a metà e lucidate con pasta diamantata. Le immagini catturate al microscopio sono state caricate nel software di analisi, che ha determinato che la densità totale della polvere era del 99,785%.
“In generale, i pori devono essere chiusi da 3/4 della loro circonferenza per essere considerati pori”, ha spiegato il team. “Le particelle che non rispettano questa regola vengono automaticamente considerate particelle irregolari”.
Fig. 4. Un esempio di pori aperti che corrispondono alla regola (L) e pori non conformi (R)
I ricercatori hanno anche misurato le dimensioni di tutti i singoli pori e hanno registrato quali sono iniziati a 5 µm, anche se hanno notato che a causa di potenziali problemi di risoluzione dell’immagine, “dimensioni dei pori di circa 5-8 μm dovrebbero essere prese con una certa incertezza”.
Fig. 5. Misura della dimensione dei pori della polvere metallica 316L
Un istogramma mostrava che, nelle particelle di polvere metallica, la “dimensione dei pori di 15 µm era maggiormente presente” e che la più grande era di 30 µm.
Tabella 3. Valori misurati della porosità delle particelle di polvere
Infine, hanno usato un metodo ottico per misurare ed esaminare la distribuzione granulometrica della polvere vergine e setacciata. Usando un ingrandimento di 200x, sono state eseguite misurazioni in cinque posizioni casuali, ognuna delle quali aveva circa 200 particelle su cui hanno eseguito analisi statiche. I risultati sono stati elaborati con un software statistico, che ha creato curve cumulative per indicare quante particelle erano più piccole o più grandi di una certa dimensione.
“Di questi, sono stati ottenuti i quantili d10, d50 e d90, che esprimono il limite di taglio entro il quale la dimensione cade al 10, 50, 90% delle particelle misurate”, hanno scritto.
La dimensione media delle particelle aumenta solo leggermente setacciando ripetutamente la polvere metallica, ma a causa di particelle irregolari, particelle agglomerate o fuse di dimensioni superiori a 45 μm, cadono attraverso la rete. I risultati mostrano che le particelle <10 µm sono ridotte, mentre le particelle più grandi vengono aumentate, nella polvere setacciata. Ma il team nota che la polvere è ancora utilizzabile.
“La polvere setacciata ha mostrato un aumento del volume delle particelle e dell’area superficiale mentre la circolarità è diminuita, indicando che la polvere vergine ha generalmente una maggiore sfericità”, ha spiegato il team.
Hanno trovato difetti come agglomerazione, impurità di gas e fusioni di particolato in tutte e tre le fasi, ma poiché la polvere è ancora utilizzabile, hanno concluso che SLM è una tecnologia sia economica che ecologica. I ricercatori hanno elencato diverse misure da adottare per “ottenere il miglior consolidamento possibile”, come elevata purezza, superficie fine, bassa porosità interna, distribuzione ridotta delle particelle e il minor numero di pori e satelliti possibili.
