Ibrido DED filo+polvere: cosa cambia davvero all’interfaccia

In laboratorio al Georgia Institute of Technology è stata studiata in modo sistematico la qualità di pezzi realizzati con produzione additiva ibrida che combina DED-arc (filo + arco elettrico, per il “bulk”) e DED-LP (polvere + laser, per i dettagli). Il lavoro mette a confronto sette configurazioni di interfaccia tra i due processi, misurando planarità, porosità, durezza e tenacità Charpy. Tra i risultati spiccano: fino al 55% di riduzione della non-planarità grazie all’“effetto di autoregolazione” del DED-LP; calo della densità da 99,5% (superficie lavorata) a 92,4% (superficie non pulita) per contaminazioni da silice/ossidi tipiche del DED-arc; assorbimenti d’energia all’impatto tra 105 J e 145 J, con correlazione debole e negativa fra densità e tenacità (−0,46) e correlazione forte e positiva fra “piattezza” del deposito arc e tenacità (0,93). Questi numeri indicano che pulizia o asportazione del grezzo DED-arc garantiscono densità e geometria più prevedibili, ma non sempre servono per la resilienza: in alcuni casi, la maggiore frazione d’acciaio duttile del cordone a filo può persino aumentare l’assorbimento d’energia.

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Materiali e setup: ER70S-6 + H13 per un caso “reale” di utensileria

Lo studio ha adottato come combinazione rappresentativa ER70S-6 (filo in acciaio dolce, ampiamente usato in saldatura, fornitore industriale Harris Products Group) depositato via DED-arc e H13 (acciaio per utensili da lavoro a caldo) via DED-LP. La scelta riflette pratiche industriali: il filo assicura alta produttività per il corpo pezzo, la polvere laser abilita zone con requisiti di durezza e definizione più severi. Sono state testate quattro strategie di interfaccia (mappatura della quota laser sulla superficie arc, piano di best-fit, piano “massimo”, lavorazione meccanica della superficie arc) e, per ogni strategia, due orientazioni del primo strato polvere (with lay e against lay).

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Perché il DED-LP “si autoregola” e perché non basta da solo

Il DED-LP tende a stabilizzare l’altezza di strato perché la distanza ugello-bagno fuso modifica l’efficienza di cattura della polvere; questo porta a una compensazione passiva di irregolarità del sottofondo, da cui la riduzione fino al 55% delle variazioni di forma. L’assenza di pre-lavorazione, però, lascia in superficie silicati/ossidi provenienti dal filo, che fungono da nuclei di pori (100–425 μm) degradando la densità del cappello laser. La lezione è duplice: geometria e densità non camminano sempre insieme; la scelta di interfaccia va fatta in funzione di requisito meccanico prevalente e costo/ciclo.

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Durezza, tenacità e mescola locale: cosa guida davvero la prestazione

Le mappe di durezza mostrano transizioni nette (~650 HV nello strato H13 fino a ~200 HV nel substrato d’acciaio dolce) quando il primo layer polvere è perpendicolare alle tracce arc (“against lay”), e transizioni più graduali quando è parallelo (“with lay”), segno di differente intermixing. La tenacità Charpy più alta (145 J) è stata osservata in una configurazione non lavorata, mentre la più bassa (105 J) sulla superficie lavorata: più frazione duttile ER70S-6 nella sezione può favorire l’assorbimento d’energia, anche a fronte di densità inferiori.

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Implicazioni per attrezzerie e riparazioni

Per inserto stampo o attrezzaggio con cicli termici gravosi, la pulizia/lavorazione intermedia rimane preferibile per uniformità geometrica e densità prevedibile. Su lotti più ampi o applicazioni con requisiti d’impatto non estremi, strategie “a miglior fit” senza asportazione possono garantire prestazioni adeguate a costo e tempi inferiori. Il quadro conferma il valore dei flussi ibridi già sviluppati in ambienti come l’Advanced Manufacturing Pilot Facility di Georgia Tech, dove WAAM/DED convivono con lavorazioni CNC e metrologia in linea per chiudere l’anello di processo.

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Dove si sta andando (oltre il singolo esperimento)

Il gruppo di Georgia Tech lavora anche su ibridi wire-arc + lavorazioni tra strato e strato per migliorare microstruttura e geometria, e su sensoristica in-situ per DED-LP (acustica, capacitiva, induttiva, piezoelettrica) mirata al controllo composizione/portata della polvere. Queste linee suggeriscono prossimi passi: interfacce pulizia-guidate dai dati, piani laser adattivi e metriche meccaniche target-driven per scegliere se e quanto lavorare la superficie prima del cappello polvere.