Nel Laser Powder Bed Fusion (LPBF), uno dei processi centrali per la stampa 3D di metalli, un fascio laser fonde strati sottili di polvere metallica per costruire pezzi complessi con geometrie difficili da ottenere con tecniche convenzionali. Questo rende la LPBF molto interessante per l’aerospazio, l’energia e i dispositivi medici, dove servono componenti leggeri, compatti e con canali interni difficili da lavorare per via tradizionale.
All’interno del processo però si nasconde un problema che incide direttamente su qualità e certificazione: la formazione di “spatter”, piccoli spruzzi di materiale che vengono espulsi dal bagno di fusione, ricadono sul pezzo o nel letto di polvere e possono trasformarsi in porosità, inclusioni e difetti superficiali. Nelle applicazioni critiche, questi difetti possono ridurre la resistenza a fatica e rendere più difficile l’omologazione di parti prodotte con LPBF.
Il gruppo UCL e la macchina Quad-ISOPR: un “gemello fisico” della LPBF industriale
Per capire in dettaglio come nascono gli spatter, un team del Department of Mechanical Engineering dell’University College London (UCL), guidato da Prof. Lee e Dr. Leung, ha sviluppato una macchina LPBF dedicata alla ricerca: il Quad-laser In Situ and Operando Process Replicator (Quad-ISOPR).
Quad-ISOPR è stato progettato come “gemello fisico” di una piattaforma industriale multi-laser. Combina:
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un testa di scansione quad-laser derivata dal sistema Renishaw RenAM 500Q;
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una camera di processo ISOPR progettata in UCL, con atmosfera di argon e controllo fine dei parametri di processo;
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l’accesso ottico necessario per integrare sensori esterni, compresi i raggi X di un sincrotrone.
Questa configurazione permette di riprodurre condizioni molto vicine a quelle di una macchina industriale, ma in un ambiente sperimentale in cui si possono modificare parametri e configurazione gas, e soprattutto osservare direttamente il bagno di fusione e tutto ciò che accade intorno al punto di impatto del laser.
Raggi X ad alta velocità all’ESRF: vedere il processo “attraverso” la polvere
Per osservare gli spatter “invisibili” il team UCL ha collaborato con la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble. Il sincrotrone fornisce un fascio di raggi X altamente energetici che possono attraversare il letto di polvere e il pezzo, consentendo di registrare filmati in tempo reale del processo LPBF.
Sfruttando una linea di fascio dedicata all’imaging ad alta velocità (come la ID19), i ricercatori hanno combinato Quad-ISOPR con:
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un fascio X policromatico di energia media intorno a 30 keV;
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un sistema di radiografia con risoluzione spaziale dell’ordine di pochi micrometri;
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una telecamera ad alta velocità con frame rate fino a 40.000 fotogrammi al secondo (40 kHz).
In questo modo è possibile registrare sequenze temporali del bagno di fusione, della cavità di vapore (vapour depression / keyhole) e della dinamica delle particelle di spatter: numero di particelle, traiettorie, velocità, energia cinetica e interazione con il flusso di gas di processo. Le immagini non mostrano solo le gocce di metallo espulse, ma anche il modo in cui il vapore, il gas e la polvere circostante contribuiscono alla formazione di nuovi difetti.
Nuovi meccanismi di formazione degli spatter: non solo “gocce sparate fuori”
Nella narrativa classica della LPBF, gli spatter sono spesso descritti come gocce di metallo che vengono semplicemente “sparate via” dal bagno di fusione dal laser e dall’evaporazione del materiale. Le osservazioni a raggi X del team UCL, integrate da analisi quantitative su leghe di alluminio come sistemi Al-Zr-Fe, mostrano un quadro più articolato.
Dai dati emerge che:
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Gli spatter non derivano solo da gocce fuse espulse dal bagno, ma anche da particelle di polvere trascinate e accelerate dal flusso di vapore e di gas sopra il keyhole.
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Il profilo e la stabilità del keyhole (profondità, angolo delle pareti, oscillazioni) sono strettamente collegati al numero e alla direzione degli spatter: keyhole instabili generano più spruzzi, con traiettorie più ampie e maggiore energia cinetica.
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Si formano cluster di particelle che possono depositarsi sulla superficie del pezzo o essere incorporati in strati successivi, dando origine a pori allungati, inclusioni e irregolarità superficiali.
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In determinate condizioni di potenza laser e velocità di scansione, la statistica degli spatter può essere predetta e messa in relazione con il rischio di difetti interni, fornendo un collegamento diretto con i requisiti di resistenza a fatica.
L’utilizzo combinato di imaging a 40 kHz e algoritmi di analisi delle immagini permette di quantificare il numero di particelle, gli angoli di emissione e le velocità in funzione dei parametri di processo, costruendo mappe di processo in cui regioni di keyhole instabile corrispondono ad elevata emissione di spatter.
Dai dati alle strategie di processo: gas, percorsi di scansione e monitoraggio in linea
Le conclusioni del lavoro UCL non si fermano alla descrizione del fenomeno, ma suggeriscono strategie concrete per controllare gli spatter nella pratica industriale:
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Ottimizzazione della gestione del gas di processo:
studi precedenti su miscele argon-elio mostrano che una diversa combinazione di gas può ridurre in modo significativo il numero di spruzzi e stabilizzare il processo LPBF, soprattutto su leghe come il Ti-6Al-4V. I dati UCL aiutano a capire come la direzione e la velocità del flusso di gas interagiscono con il vapore metallico e con il letto di polvere, indicando configurazioni più favorevoli a “spazzare via” spatter e fumi senza re-immetterli sul pezzo. -
Percorsi di scansione e parametri di processo più robusti:
correlando mappe di spatter e difetti con potenza laser, velocità, overlap delle tracce e strategia di riempimento, si possono identificare finestre di processo in cui il keyhole è più stabile e la generazione di spruzzi è limitata. Questo è cruciale per costruzioni multi-laser, dove l’interazione tra fasci diversi può amplificare instabilità locali. -
Integrazione con il monitoraggio in-situ e la simulazione:
il progetto Quad-ISOPR rientra in un quadro più ampio in cui UCL, Renishaw plc, ESRF e altri partner industriali e istituzionali sviluppano una catena completa dati-modelli-controllo per l’additive manufacturing: dal sensore (raggi X, ottico, infrarosso) ai modelli numerici e di machine learning, fino a strategie di controllo automatico del processo LPBF.
In prospettiva, la capacità di prevedere e minimizzare gli spatter già in fase di sviluppo dei parametri, e di monitorare il processo in tempo reale, può ridurre il numero di iterazioni sperimentali e il rischio di scarti nella produzione di componenti critici.
Implicazioni per aerospazio, energia e dispositivi critici
Le osservazioni del team UCL hanno un impatto diretto sui settori in cui la LPBF è già adottata o sta entrando in fase di qualifica:
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Aerospazio: pale di turbina, camere di combustione e componenti strutturali richiedono controllo stretto di porosità e difetti; conoscere il legame tra keyhole, spatter e pori permette di affinare i parametri per rispettare standard di certificazione sempre più severi.
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Energia: scambiatori di calore complessi, componenti per turbine e sistemi di gestione termica possono beneficiare di finestrature di processo meno sensibili alle fluttuazioni del bagno di fusione, riducendo difetti che potrebbero evolvere in cricche sotto cicli termici.
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Dispositivi medici e biomedicale: impianti e strutture reticolari per osso o dispositivi personalizzati richiedono superfici controllate e proprietà meccaniche ripetibili; limitare gli spatter aiuta a ridurre inclusioni e discontinuità che potrebbero influire sulla risposta meccanica o sull’interazione con i tessuti.
Più in generale, il lavoro dimostra il valore di macchine di ricerca “gemelle” di quelle industriali, come Quad-ISOPR, accoppiate a infrastrutture di grande scala come ESRF, per costruire basi dati ricche su cui validare modelli fisici e algoritmi di controllo per l’additive manufacturing.
