Nella fusione laser a letto di polvere, conosciuta come Laser Powder Bed Fusion o LPBF, l’energia fornita al materiale viene descritta attraverso parametri come la potenza del laser, la velocità di scansione, la distanza tra le tracce, il diametro del fascio e lo spessore dello strato.
Questi valori indicano quanta energia la macchina dirige verso la zona di lavoro, ma non spiegano con precisione quale parte venga assorbita dalla polvere. Una quota della radiazione viene riflessa, un’altra viene dispersa tra le particelle e solo una parte viene trasformata in calore.
La quantità effettivamente assorbita dipende dal tipo di lega, dalla lunghezza d’onda del laser, dalle dimensioni delle particelle, dalla loro forma, dalla presenza di ossidi e dalle condizioni di conservazione e riutilizzo della polvere.
Due lotti della stessa lega possono quindi reagire in modo differente anche quando vengono lavorati con parametri identici. La polvere non dovrebbe essere considerata soltanto una materia prima da fondere: partecipa direttamente al comportamento ottico e termico del processo.
Uno studio coordinato dalla Luleå University of Technology ha analizzato questo aspetto misurando la risposta spettrale di numerose polveri metalliche. I risultati mostrano perché la sola densità di energia non sia sufficiente per descrivere il comportamento di un processo LPBF e perché la storia del materiale debba essere inclusa nelle procedure di qualificazione.
Uno studio basato su materiali e condizioni industriali
La ricerca è stata condotta da Benedikt Brandau, Adrien Da Silva, Christoph Wilsnack, Frank Brueckner e Alexander F. H. Kaplan. Il lavoro ha coinvolto la Luleå University of Technology, JENOPTIK Optical Systems GmbH e il Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS.
Fraunhofer IWS ha fornito una parte delle polveri e delle immagini ottenute mediante microscopia elettronica. JENOPTIK Optical Systems GmbH ha messo a disposizione le apparecchiature impiegate per le misurazioni ottiche.
IMR – Metal Powder Technologies GmbH ha eseguito le analisi granulometriche. Il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano ha contribuito con immagini microscopiche relative alle polveri di alluminio. Alcune prove di invecchiamento sono state svolte nell’ambito del progetto SAMOA, finanziato da EIT RawMaterials.
I ricercatori hanno analizzato 39 campioni appartenenti a 16 materiali, misurandone il comportamento a 20 lunghezze d’onda comprese tra 330 e 1.560 nanometri. L’intervallo include la radiazione ultravioletta, la luce visibile e il vicino infrarosso, coprendo quindi le principali regioni dello spettro utilizzate dai laser industriali.
Tra i materiali studiati figuravano l’acciaio inossidabile 316L, l’acciaio per utensili H13, l’acciaio 630, la lega di nichel Inconel 718, l’alluminio AlSi10Mg, l’alluminio AlSi40, il titanio, il Ti-6Al-4V, il Nitinol, il cromo, il rame, l’ottone e una lega ad alta entropia composta da titanio, cobalto, cromo, ferro, nichel e molibdeno.
Lo studio non ha confrontato soltanto leghe differenti. Per alcuni materiali sono state analizzate diverse frazioni granulometriche, polveri nuove e già utilizzate, campioni conservati per periodi prolungati, rame ossidato e AlSi10Mg sottoposto a invecchiamento termico.
Questa impostazione è importante perché riflette ciò che avviene negli impianti produttivi. Durante il proprio ciclo di vita, la polvere viene trasportata, immagazzinata, essiccata, setacciata, recuperata dalla camera di costruzione e miscelata con materiale vergine. Può inoltre essere esposta all’umidità, all’ossigeno e ai prodotti di condensazione generati durante la fusione.
Che cosa indica l’assorbanza di una polvere metallica
L’assorbanza rappresenta la quota di radiazione incidente che viene trattenuta dal campione anziché essere riflessa o trasmessa.
Nel caso delle polveri metalliche, non può essere considerata una proprietà fissa e indipendente dalle condizioni di prova. Il valore cambia in base alla lunghezza d’onda, alla geometria del letto, allo spessore del campione, alla distribuzione delle particelle e allo stato delle loro superfici.
Una superficie metallica piana e lucidata interagisce con il laser in modo diverso rispetto a un letto di polvere. Quest’ultimo è composto da particelle inclinate, cavità, punti di contatto, satelliti, agglomerati e superfici microscopicamente irregolari.
Quando il fascio colpisce una particella, una parte della luce può essere assorbita e una parte riflessa verso una particella vicina. Ogni nuovo impatto crea un’altra possibilità di assorbimento. La radiazione può quindi rimanere parzialmente intrappolata negli spazi tra i granuli.
La porosità del letto di polvere aumenta il percorso compiuto dalla luce all’interno del materiale. Per questo motivo, una polvere può mostrare un assorbimento molto superiore a quello previsto per una superficie compatta della stessa lega.
A una lunghezza d’onda di 1.070 nanometri, tipica dei laser a fibra, i ricercatori hanno misurato per la polvere di alluminio un’assorbanza del 61,2%, contro un valore teorico del 4,51% calcolato per una superficie piana.
Per il rame è stato misurato un valore del 30,24%, mentre quello teorico della superficie compatta era pari allo 0,91%. Nel caso dell’ottone, il confronto era tra il 66,03% misurato sulla polvere e il 5,22% teorico.
Le differenze dipendono dalle riflessioni multiple, dalla rugosità, dagli ossidi superficiali e dalla struttura geometrica del letto.
Questi valori non rappresentano l’efficienza complessiva di una macchina LPBF. Indicano però quanto il comportamento reale della polvere possa discostarsi da quello previsto considerando esclusivamente le proprietà del metallo compatto.
I limiti della densità volumetrica di energia
Nel settore della produzione additiva viene utilizzata spesso la densità volumetrica di energia, calcolata mettendo in relazione la potenza del laser, la velocità di scansione, la distanza tra le tracce e lo spessore dello strato.
Questo indicatore permette di confrontare alcune configurazioni di processo, ma comprime in un solo numero un fenomeno molto più complesso.
La formula non include direttamente l’assorbanza della polvere, il profilo spaziale del fascio, il diametro dello spot, il tempo di permanenza del laser, la strategia di scansione, la temperatura di preriscaldo o la conducibilità termica del materiale.
Non considera inoltre la formazione di vapori metallici, spruzzi, moti convettivi nel bagno fuso e cavità keyhole.
Due processi caratterizzati dalla stessa densità volumetrica di energia possono quindi generare bagni fusi differenti per larghezza, profondità, stabilità e velocità di raffreddamento.
La differenza diventa più evidente quando si confrontano leghe diverse oppure polveri con differenti livelli di ossidazione. La macchina può erogare la stessa potenza, ma la quota di energia trasformata in calore può cambiare.
Una variazione dell’assorbanza modifica l’avvio della fusione, la temperatura del bagno e il passaggio dal regime di conduzione alla formazione di una cavità di vapore.
L’assorbanza non sostituisce i parametri tradizionali di processo, ma permette di interpretarli in modo più preciso.
La lunghezza d’onda influenza il trasferimento di energia
I laser a fibra con lunghezze d’onda comprese tra circa 1.030 e 1.080 nanometri sono diffusi nei sistemi LPBF perché offrono potenze elevate, buona qualità del fascio e affidabilità industriale.
In questa regione del vicino infrarosso, tuttavia, le differenze di assorbanza tra le varie polveri possono essere consistenti. Il rame rappresenta il caso più conosciuto, ma ogni lega presenta una propria risposta spettrale.
La risposta dipende dalla struttura elettronica del materiale, dalla presenza di ossidi e dalle caratteristiche della superficie.
Le misurazioni della Luleå University of Technology indicano che, intorno a 635 e 650 nanometri, le differenze di assorbanza tra i materiali analizzati tendono a ridursi. Un comportamento relativamente uniforme, con alcune eccezioni legate al rame, è stato osservato anche intorno a 450 nanometri.
L’assorbanza media misurata a 450, 633 e 650 nanometri è risultata tra 2,4 e 3,3 volte superiore rispetto al valore rilevato a 1.070 nanometri.
Questo dato non dimostra che un laser blu, verde o rosso sia sempre preferibile a un laser infrarosso. Le prestazioni di un sistema dipendono anche dalla potenza disponibile, dalla qualità del fascio, dall’efficienza elettrica, dalla velocità di scansione e dal controllo del bagno fuso.
La scelta della lunghezza d’onda può però ridurre la quota di radiazione riflessa e rendere più uniforme il trasferimento energetico tra materiali differenti.
Il caso del rame
Il rame è utilizzato per scambiatori di calore, induttori, componenti elettronici, motori elettrici, sistemi di raffreddamento e applicazioni aerospaziali.
La sua elevata conducibilità elettrica e termica rappresenta un vantaggio nel componente finito, ma rende complessa la lavorazione mediante LPBF.
Nel vicino infrarosso, il rame riflette una parte elevata della radiazione incidente. Quando il materiale inizia ad assorbire energia, la sua conducibilità termica trasferisce rapidamente il calore lontano dalla zona irradiata.
Il processo richiede quindi una quantità elevata di energia concentrata in un’area ridotta. Un aumento della potenza, però, può favorire la formazione di una cavità keyhole.
All’interno del keyhole, il fascio subisce riflessioni multiple che aumentano l’assorbimento. Se la cavità diventa instabile e collassa, può intrappolare gas nel materiale fuso e generare porosità.
Le aziende del settore hanno adottato strategie diverse per affrontare il problema.
TRUMPF utilizza il laser a disco verde TruDisk 1020, con lunghezza d’onda di 515 nanometri, nei sistemi TruPrint 1000 Green Edition e TruPrint 5000 Green Edition. La sorgente verde permette al rame di assorbire una quota maggiore dell’energia incidente.
NUBURU sviluppa laser industriali blu destinati alla lavorazione di rame, alluminio, oro, nichel e altri metalli riflettenti. Le lunghezze d’onda blu aumentano l’accoppiamento energetico e possono ridurre la dipendenza dalla formazione di keyhole profondi.
EOS e la sua società AMCM hanno sviluppato anche soluzioni basate su laser infrarossi di potenza elevata. EOS propone materiali come EOS Copper CuCP ed EOS CopperAlloy CuCrZr, abbinati a sistemi quali EOS M 290 1 kW, AMCM M 290 1 kW ed EOS M 300-4 1 kW.
Le strategie non sono necessariamente alternative. I produttori possono intervenire sulla lunghezza d’onda, sulla potenza, sul profilo del fascio, sulla composizione della lega e sulle caratteristiche della polvere.
Il risultato deve essere valutato considerando densità del componente, conducibilità, porosità, produttività e stabilità del processo.
La dimensione delle particelle cambia il comportamento ottico
La granulometria influenza la scorrevolezza della polvere, la densità apparente, l’uniformità dello strato e la quantità di particelle trascinate dal flusso di gas.
Lo studio mostra che può modificare anche l’assorbanza.
Nelle polveri di acciaio 1.4404, appartenente alla famiglia del 316L, la frazione più fine ha mostrato un aumento medio assoluto dell’assorbanza di circa sei punti percentuali rispetto alla frazione più grossolana.
Per l’acciaio 1.4542, corrispondente alla famiglia dell’acciaio 630, l’aumento è stato di circa 2,4 punti percentuali.
Le particelle piccole presentano una maggiore area superficiale per unità di massa. Generano inoltre più punti di contatto, cavità più strette e maggiori possibilità di riflessione tra i granuli.
L’effetto non è però uguale per tutti i materiali. Nelle prove sull’AlSi10Mg, la differenza media tra alcune frazioni granulometriche è stata di circa 0,35 punti percentuali.
Un valore così contenuto può essere mascherato dalle variazioni nell’impaccamento, dalla preparazione del campione e dal livello di ossidazione.
Non è quindi corretto affermare che una polvere più fine assorba sempre molta più energia. La relazione dipende dalla lega, dalla distribuzione completa delle dimensioni, dalla morfologia e dalla lunghezza d’onda.
Ossidazione e invecchiamento modificano la risposta della polvere
Le particelle metalliche formano strati superficiali di ossido quando entrano in contatto con l’aria o vengono sottoposte a cicli termici.
Lo spessore e la composizione di questi strati dipendono dal materiale, dalla temperatura, dall’umidità, dal tempo e dalle condizioni di conservazione.
Nello studio sono state confrontate polveri nuove con campioni utilizzati, ossidati o sottoposti a invecchiamento.
In diversi casi è stata osservata una riduzione dell’assorbanza nel visibile e nel vicino infrarosso, accompagnata da un aumento nella regione ultravioletta.
Nel caso degli acciai, le variazioni sono state associate alla formazione di ossidi di ferro. Per l’AlSi10Mg sono state considerate la presenza di ossido di alluminio e le modifiche della rugosità superficiale.
Il campione di rame è stato lasciato ossidare naturalmente per tre mesi in un contenitore aperto. Le misurazioni hanno mostrato che l’ossidazione non produce un aumento o una diminuzione uniforme lungo tutto lo spettro. Cambia invece la forma complessiva della risposta ottica.
Anche le polveri di acciaio già utilizzate in processi LPBF hanno mostrato differenze rispetto al materiale vergine. I cicli di lavorazione possono modificare la chimica superficiale, creare agglomerati e alterare la distribuzione granulometrica.
Un campione di titanio conservato per un anno e mezzo nella confezione originale chiusa non ha invece mostrato differenze significative rispetto a una polvere prodotta pochi giorni prima.
Il tempo di conservazione non è quindi sufficiente, da solo, per determinare la qualità del materiale. Devono essere considerate la tenuta della confezione, l’atmosfera interna, l’umidità e l’esposizione all’ambiente.
Nelle prove sull’AlSi10Mg, alcuni campioni sono stati mantenuti a 400 °C in aria per 48 e 96 ore. La differenza massima tra gli spettri dei due stati è rimasta intorno allo 0,7%.
Il confronto tra la polvere vergine e quella invecchiata ha mostrato la differenza più contenuta intorno a 450 nanometri. Questo suggerisce che la sensibilità all’invecchiamento possa variare in base alla lunghezza d’onda utilizzata.
Il riutilizzo non dovrebbe essere valutato soltanto contando i cicli
Nei sistemi LPBF, la polvere non fusa viene recuperata, setacciata e reintrodotta nella macchina. Questa pratica riduce il costo del materiale e limita gli scarti.
Molte aziende stabiliscono un numero massimo di cicli di riutilizzo. Il criterio è semplice da applicare, ma non descrive ciò che è realmente accaduto alla polvere.
Due lotti utilizzati nello stesso numero di costruzioni possono essere stati esposti a condizioni differenti. Possono cambiare la durata dei job, il volume di materiale interessato dal calore, la temperatura della camera, il flusso di gas e la quantità di condensa depositata.
Possono variare anche il tempo trascorso fuori dall’atmosfera protetta e la percentuale di materiale vergine aggiunto durante il rabbocco.
La qualificazione dovrebbe quindi basarsi sullo stato misurato della polvere. Composizione chimica, contenuto di ossigeno, umidità, granulometria, morfologia, densità apparente e scorrevolezza restano parametri essenziali.
A questi controlli potrebbe essere aggiunta l’analisi dell’assorbanza spettrale. Una variazione significativa della risposta ottica può segnalare cambiamenti superficiali non rilevati attraverso le sole prove granulometriche.
Verso controlli più completi sulla materia prima
La misurazione dell’assorbanza potrebbe diventare uno strumento utile nei laboratori di qualificazione delle polveri.
Non è necessario analizzare l’intero spettro prima di ogni costruzione. Una volta identificata la lunghezza d’onda più indicativa per una determinata lega, sarebbe possibile sviluppare controlli più semplici e rapidi.
Un produttore potrebbe confrontare il lotto in ingresso con un intervallo di riferimento. Potrebbe inoltre verificare la polvere dopo un certo numero di cicli, dopo un periodo di stoccaggio o in seguito a un’anomalia di processo.
L’integrazione di questi dati nei sistemi di tracciabilità permetterebbe di collegare la condizione della polvere ai risultati ottenuti sui componenti.
I produttori di macchine come EOS, TRUMPF, Nikon SLM Solutions, Renishaw, AddUp e Colibrium Additive potrebbero utilizzare informazioni di questo tipo per migliorare la qualificazione delle combinazioni tra macchina, materiale e parametri.
Anche i fornitori di polveri, tra cui Höganäs, Sandvik, Carpenter Additive, Tekna e Oerlikon Metco, potrebbero includere informazioni ottiche più dettagliate nei certificati dei lotti.
Per le aziende utilizzatrici, il vantaggio sarebbe una maggiore capacità di distinguere tra problemi legati alla macchina, alla strategia di scansione e alla materia prima.
Le miscele di polveri richiedono particolare attenzione
Quando due polveri metalliche vengono miscelate, il comportamento ottico della miscela non può essere sempre previsto con una semplice media dei valori dei singoli materiali.
Le particelle possono differire per dimensioni, densità, forma e tendenza alla segregazione. Durante la stesura, una componente può concentrarsi in alcune zone del letto.
Anche le riflessioni multiple possono cambiare perché il fascio incontra superfici con proprietà differenti.
Questo aspetto riguarda lo sviluppo di leghe mediante miscelazione elementare, la produzione di materiali compositi e la gestione delle contaminazioni incrociate.
Una piccola quantità di materiale estraneo può alterare la chimica del componente, ma anche modificare localmente l’assorbimento del laser.
Le aziende che utilizzano più leghe nello stesso impianto devono quindi controllare con attenzione le procedure di pulizia, trasporto e setacciatura.
Dalla potenza nominale all’energia realmente assorbita
La potenza indicata dalla macchina rappresenta l’energia emessa dal laser, non quella assorbita dal materiale.
Tra la sorgente e il bagno fuso intervengono le perdite nelle ottiche, la riflessione della superficie, la dispersione tra le particelle e l’interazione con vapori e prodotti di processo.
Per comprendere il comportamento della fusione è quindi necessario distinguere tra energia nominale, energia incidente ed energia assorbita.
Questa distinzione può spiegare perché un set di parametri qualificato su un lotto di polvere non produca gli stessi risultati su un altro lotto della stessa lega.
Può inoltre aiutare a progettare strategie di controllo in tempo reale. Fotodiodi, telecamere ad alta velocità, pirometri e sistemi di imaging del bagno fuso raccolgono segnali che dipendono anche dal modo in cui il materiale assorbe e riemette la radiazione.
Aziende come Sigma Additive Solutions, Additive Assurance, Phase3D e Materialise sviluppano strumenti di monitoraggio e gestione del processo. La conoscenza della risposta ottica della polvere può migliorare l’interpretazione dei dati raccolti da questi sistemi.
Le conseguenze per lo sviluppo dei parametri
Lo sviluppo di una finestra di processo richiede normalmente numerose prove. Vengono prodotti campioni variando potenza, velocità, distanza tra le tracce e altri parametri.
L’assorbanza può aiutare a restringere lo spazio di ricerca. Conoscendo la risposta della polvere alla lunghezza d’onda della macchina, è possibile stimare meglio l’intervallo energetico da esplorare.
Questo approccio non elimina la necessità di costruire e analizzare provini. Il comportamento del bagno fuso dipende anche dalla conducibilità, dalla viscosità, dalla tensione superficiale e dalla temperatura di evaporazione della lega.
Permette però di evitare il presupposto che materiali differenti ricevano la stessa quantità di calore soltanto perché vengono lavorati con la stessa potenza.
Le informazioni ottiche possono essere utili anche nel trasferimento dei parametri da una macchina a un’altra. Due sistemi con la stessa potenza nominale possono utilizzare sorgenti, ottiche, diametri del fascio e profili energetici differenti.
Il trasferimento dovrebbe quindi considerare la densità di potenza, la lunghezza d’onda e la quota di energia assorbita.
Un parametro utile per qualità e sostenibilità
Una gestione più precisa della polvere può produrre vantaggi sia economici sia ambientali.
Scartare un lotto ancora utilizzabile aumenta i costi e il consumo di materia prima. Riutilizzare materiale degradato può invece provocare difetti, rilavorazioni e componenti non conformi.
Una misura aggiuntiva dell’assorbanza potrebbe aiutare a stabilire se una polvere sia ancora adatta al processo, evitando limiti basati soltanto sul numero di cicli.
Il metodo potrebbe inoltre sostenere l’uso di materiali riciclati. Prima di introdurre polveri provenienti da fonti secondarie, sarebbe possibile confrontarne la risposta ottica con quella di un materiale qualificato.
Per applicazioni aerospaziali, medicali ed energetiche, la misura dovrebbe essere integrata in un sistema di controllo più ampio e collegata alle proprietà finali dei componenti.
Che cosa cambia per la produzione additiva metallica
Lo studio della Luleå University of Technology non propone di sostituire tutti i metodi di qualificazione esistenti con una singola misura ottica.
Il contributo principale consiste nel mostrare che l’assorbanza delle polveri non è un dettaglio secondario. Cambia con il materiale, la lunghezza d’onda, la granulometria, l’ossidazione e il riutilizzo.
Questo parametro può influenzare la stabilità del bagno fuso anche quando la macchina continua a utilizzare lo stesso programma.
Per i produttori di sistemi come TRUMPF, EOS, Nikon SLM Solutions, Renishaw, AddUp e Colibrium Additive, la ricerca conferma l’importanza di considerare insieme sorgente laser, materiale e condizioni della polvere.
Per aziende specializzate nei laser come JENOPTIK Optical Systems GmbH e NUBURU, evidenzia il valore della scelta della lunghezza d’onda.
Per i fornitori di polveri come Höganäs, Sandvik, Carpenter Additive, Tekna e Oerlikon Metco, indica la possibilità di ampliare la caratterizzazione dei lotti.
Per gli utilizzatori industriali, il messaggio è concreto: la polvere cambia durante la propria vita operativa e queste modifiche possono influire sul modo in cui riceve l’energia del laser.
Conoscere l’assorbanza non risolve da sola tutti i problemi della LPBF, ma permette di comprendere meglio ciò che accade tra il fascio e il materiale. È in questa interazione che iniziano la fusione, la formazione del bagno e molti dei difetti che possono comparire nel componente finale.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)