Un gruppo di ricercatori del Tecnologico de Monterrey e del laboratorio nazionale messicano per la manifattura additiva e digitale MADIT (MADiT – National Laboratory for Additive and Digital Manufacturing, gestito dall’UNAM, Universidad Nacional Autónoma de México) ha sviluppato un approccio data-driven per la Directed Energy Deposition (DED) applicata all’acciaio inossidabile 316L che consente di ottenere porosità inferiore al 5%, microdurezza equivalente a quella del materiale forgiato e una finestra di processo stabile e trasferibile tra macchine diverse.
Lo studio è stato condotto su una piattaforma ibrida CNC-DED Viwa-Optomec dotata di testa a quattro ugelli per la deposizione di polvere coassiale e di una sorgente laser a fibra IPG con spot da 1 mm. I risultati sono stati pubblicati sull’International Journal of Advanced Manufacturing Technology.
Il contesto: variabilità del DED come ostacolo all’adozione industriale
La Directed Energy Deposition è una tecnologia di additive manufacturing metallico che deposita polvere o filo metallico fondendoli con una sorgente laser o ad arco, layer dopo layer, direttamente su un substrato o su componenti esistenti. Rispetto alla Powder Bed Fusion (PBF), il DED consente volumi di build molto più grandi, riparazione di pezzi già in uso e potenziale multi-materiale. Il regime a bassa potenza, tipicamente sotto i 400 W, è particolarmente interessante per il controllo del calore immesso, delle tensioni residue e delle distorsioni.
Tuttavia, il DED è storicamente caratterizzato da una variabilità di processo più elevata rispetto al PBF, con finestre operative difficili da trasferire da un impianto all’altro o da un turno di lavoro al successivo. Questa instabilità ha limitato la diffusione industriale del processo, in particolare in applicazioni di precisione su acciai austenitici come il 316L, che è uno dei materiali più utilizzati in ambito biomedicale, chimico, alimentare e navale per la sua resistenza alla corrosione.
La piattaforma Viwa-Optomec e il laboratorio MADIT
La piattaforma utilizzata per la ricerca è una macchina ibrida sviluppata da Viwa, distributore messicano di sistemi Optomec LENS (Laser Engineered Net Shaping) per il Messico e l’America Centrale, integrata con un centro CNC. Optomec è un’azienda statunitense specializzata in sistemi DED metallici che utilizza la tecnologia LENS, con teste a quattro ugelli per la deposizione coassiale di polvere metallica e laser a fibra IPG.
Il laboratorio MADIT è una struttura nazionale messicana con sede presso l’UNAM che promuove la ricerca e lo sviluppo di tecnologie di manifattura additiva mettendo a disposizione infrastrutture per metalli, polimeri e ceramici. Il Tecnologico de Monterrey, uno dei principali atenei tecnici del Messico, ha attivato un proprio Additive Manufacturing Core Lab nell’ambito dell’Institute for Advanced Materials for Sustainable Manufacturing (IAMSM), con l’obiettivo di accelerare l’adozione industriale della produzione additiva in Messico e a livello globale.
Il metodo sperimentale: oltre 150 costruzioni e cinque parametri variabili
Il team di ricerca ha eseguito più di 150 costruzioni sperimentali variando sistematicamente cinque parametri di processo: potenza laser, velocità di scansione (traverse speed), portata massica della polvere (powder feed rate), spaziatura tra le tracce adiacenti (hatch spacing) e altezza dello strato (interlayer height). I livelli di potenza testati coprono la fascia 200–400 W, suddivisi in cinque valori: 200, 250, 300, 350 e 400 W.
Per la strategia di deposizione, il team ha confrontato un approccio a croce a 45 gradi con una strategia a contorno: quest’ultima ha prodotto porosità centrale elevata ed è stata scartata. La strategia cross-hatch a 45 gradi ha invece consentito una distribuzione del calore più uniforme e migliori risultati dimensionali.
Il framework predittivo: energia specifica e massa per unità di lunghezza
Il contributo centrale della ricerca è un framework di modellazione predittiva che normalizza la configurazione del processo DED attorno a due parametri sintetici: l’energia specifica (E), calcolata rispetto a uno spot laser di 1 mm di diametro, e la massa per unità di lunghezza (MUL, mass per unit length), che quantifica la quantità di materiale depositato per millimetro di traccia.
Il team ha identificato una finestra operativa ottimale compresa tra E = 21 e 27 e MUL = 0,019–0,022 g/mm. All’interno di questa finestra, tutti e cinque i gruppi di potenza hanno prodotto componenti con geometria stabile e proprietà accettabili, con velocità di costruzione fino a circa 890 mm/min (35 pollici al minuto). I valori di hatch spacing e interlayer height sono stati ottimizzati in funzione del livello di potenza.
Il framework include dieci modelli matematici validati con un errore inferiore al 4% che predicono la geometria delle singole tracce, la geometria degli strati sovrapposti, le tendenze della porosità e le dimensioni esterne del componente. Questa capacità predittiva consente di pianificare le lavorazioni con un grado di confidenza analogo a quello disponibile per processi più consolidati.
Risultati su porosità, microdurezza e microstruttura
I componenti prodotti nella finestra operativa ottimale presentano una porosità compresa tra il 3% e il 4,85%, con una stima di 0–69 parti per milione al di fuori di questo intervallo. Si tratta di un risultato significativo per il DED a bassa potenza, dove la stabilità del bagno fuso e la fusione completa tra layer adiacenti sono più difficili da garantire rispetto a regimi di potenza più elevata.
La microdurezza misurata su campioni ottenuti con parametri ottimizzati eguaglia o supera quella dell’acciaio 316L forgiato, che rappresenta il riferimento tradizionale per questo materiale. L’analisi microstrutturale ha evidenziato grani più raffinati e una distribuzione più omogenea rispetto a campioni prodotti con parametri non ottimizzati, confermando l’effetto positivo del controllo dell’apporto termico per unità di lunghezza.
Al di sotto di 300 W è risultato necessario un preriscaldo del substrato per contrastare la sovradimensione degli strati iniziali. Al di sopra di 300 W, una maggiore fusione interlayer e valori di interlayer height ridotti hanno diminuito la porosità, anche se con un aumento del tempo di costruzione. In entrambi i casi, i primi due-quattro layer di transizione hanno richiesto una lavorazione meccanica successiva per garantire la composizione 316L nella zona di diluzione con il substrato.
DEDRA: il postprocessore sviluppato dal team
Per tradurre le intenzioni di processo in istruzioni macchina operative, il team ha sviluppato DEDRA, un postprocessore dedicato al DED. DEDRA si occupa di simulare i percorsi utensile, generare i codici M specifici per la macchina Viwa-Optomec ed esportare i set di coordinate necessari alla deposizione. La disponibilità di un software di questo tipo risolve un problema comune nei laboratori DED di piccole e medie dimensioni, dove la traduzione tra parametri di processo e codice macchina viene spesso reimplementata da capo per ogni nuovo progetto. DEDRA è registrato ma non descritto come open source.
Implicazioni per officine di lavorazione e service bureau DED
Per i service bureau e le officine di riparazione che lavorano su componenti in 316L con DED, i risultati di questo studio spostano la taratura dei parametri da un processo empirico e dipendente dall’esperienza dell’operatore verso un approccio basato su dati verificabili. L’uso di E e MUL come variabili guida offre un controllo rapido della configurazione scalabile a diverse dimensioni di componente e strategie di scansione.
Il focus sulla bassa potenza è particolarmente utile per chi lavora su pareti sottili, componenti con substrati sensibili al calore, o geometrie in cui le tensioni residue e le distorsioni termiche rappresentano un rischio. Questi scenari ricorrono frequentemente nella riparazione di componenti aeronautici, nella fabbricazione di dispositivi medicali e nella produzione di componenti per l’industria chimica e petrolchimica.
Limiti attuali e sviluppi futuri
Gli autori segnalano che la dimostrazione sperimentale è stata condotta su prismi rettangolari di piccole dimensioni; le prestazioni su geometrie più grandi e le limitazioni di duty cycle per costruzioni prolungate non sono ancora state documentate. I risultati dipendono dalla specifica configurazione della testa a quattro ugelli e del treno ottico IPG, quindi la trasferibilità a teste a ugello singolo o a spot di dimensioni diverse richiede ulteriore verifica. Il controllo in anello chiuso in tempo reale è indicato come sviluppo futuro, non come funzione già integrata. Per DEDRA non sono stati forniti dettagli su licenza o costo commerciale.
