Nel contesto della manifattura additiva applicata ai materiali plastici, una delle tecniche più consolidate è la sinterizzazione laser selettiva (SLS). Questo processo si basa sulla deposizione sequenziale di strati sottili di polvere polimerica, che vengono successivamente fusi punto per punto tramite un raggio laser. Il materiale non coinvolto direttamente nella fusione – ovvero la parte di polvere che non si sinterizza – rimane nella camera di lavorazione e viene riutilizzato nei cicli successivi. Tuttavia, questa polvere è esposta a ripetuti stress termici durante ogni ciclo, e nel tempo subisce modifiche a livello molecolare, che ne alterano le proprietà.
Questi fenomeni di invecchiamento influiscono negativamente sulla qualità dei componenti stampati e sulla processabilità del materiale stesso. Verificare lo stato di salute della polvere richiede di norma strumentazioni da laboratorio, tempi lunghi e competenze specialistiche, il che comporta costi significativi e una limitazione all’uso estensivo di controlli regolari nel ciclo produttivo.
Un nuovo metodo per l’analisi immediata del degrado della polvere
Un gruppo di ricerca del Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ha sviluppato una soluzione portatile e rapida per affrontare il problema del monitoraggio dello stato della polvere. Grazie a un sistema di spettroscopia Raman mobile, è possibile analizzare in tempo reale e in modo non distruttivo il grado di invecchiamento del materiale plastico in forma di polvere.
La spettroscopia Raman si basa sull’interazione tra luce laser e legami molecolari: la luce incidente viene diffusa dalla materia e il pattern di dispersione consente di ottenere informazioni sulla struttura chimica e fisica del materiale. In questo caso specifico, l’obiettivo è rilevare fenomeni come la post-condensazione allo stato solido, che avviene quando le catene polimeriche si allungano a causa dell’esposizione al calore.
Effetti dell’invecchiamento: modifiche fisico-chimiche rilevabili in pochi secondi
Le modifiche nella struttura molecolare della polvere non sono solo un dettaglio accademico: influiscono in maniera diretta sulle proprietà termiche e reologiche del materiale. In particolare, un aumento della lunghezza delle catene polimeriche si traduce in un innalzamento della temperatura di fusione e della viscosità, rendendo la polvere meno idonea alla fusione selettiva. Il nuovo sistema permette di confrontare lo spettro Raman del materiale in uso con quello di un campione di riferimento fresco, così da stabilire con precisione se la polvere è ancora riutilizzabile oppure deve essere sostituita.
Impatto sul riutilizzo dei materiali e sui costi operativi
L’introduzione di uno strumento semplice e veloce per la classificazione del materiale esausto consente di ottimizzare l’uso della materia prima. Infatti, grazie a una valutazione affidabile del grado di invecchiamento, è possibile combinare in modo controllato polveri nuove e usate, evitando sovradosaggi o sprechi inutili. In pratica, il sistema consente una formulazione più precisa delle miscele di polveri, migliorando al tempo stesso l’efficienza produttiva e la qualità finale dei componenti stampati.
Il rapporto diretto tra massa molare e grado di invecchiamento – secondo i dati raccolti dal team – costituisce un indicatore chiave per la selezione del materiale. Maggiore è la massa molare, più la polvere è stata esposta a cicli termici ripetuti, e più è probabile che le sue prestazioni meccaniche e termiche risultino compromesse.
Un beneficio concreto per la stampa 3D industriale
Nell’ambito della produzione additiva su scala industriale, dove i lotti di stampa possono essere consistenti e frequenti, la possibilità di effettuare verifiche rapide e in situ sullo stato del materiale ha un valore operativo elevato. Si riduce la necessità di inviare campioni in laboratorio, si accorciano i tempi decisionali per il riutilizzo del materiale, e si incrementa la ripetibilità del processo.
Inoltre, la disponibilità di uno strumento portatile consente un impiego flessibile anche in ambienti di produzione decentralizzati o in presenza di più linee di stampa attive contemporaneamente.
Verso un uso più efficiente delle risorse nella produzione additiva
L’adozione di questo metodo potrebbe rappresentare un punto di svolta per la gestione delle risorse nella stampa 3D, con un impatto diretto su:
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Riduzione dei costi legati al consumo di materiale
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Ottimizzazione delle ricette di miscelazione tra polveri nuove e riciclate
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Controllo qualità continuo integrato nel processo produttivo
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Minore produzione di scarti e maggiore sostenibilità operativa
Grazie alla combinazione di spettroscopia avanzata e portabilità, il sistema sviluppato dall’Istituto Fraunhofer si propone come uno strumento tecnico concreto per migliorare la qualità e l’efficienza nei processi di sinterizzazione laser selettiva, in modo accessibile e tempestivo.
