Un’ottimizzazione simultanea dell’orientamento del tratteggio laser e della distribuzione della densità del reticolo per ridurre al minimo lo stress residuo nella produzione additiva di metalli
La deformazione causata dallo stress residuo nella tecnologia di fabbricazione della produzione additiva dei metalli è una delle principali preoccupazioni. Ora, un team multinazionale di ricercatori ha proposto una strategia di progettazione ottimizzata per affrontare la sfida. Ciò comporta un’ottimizzazione simultanea della direzione di scansione laser e della struttura interna del materiale fabbricato nella fabbricazione basata sulla fusione del letto di polvere laser. La strategia proposta, verificata attraverso i test, riduce la deformazione residua fino al 40% rispetto ai progetti di riferimento.
Nella produzione additiva (AM), le parti metalliche vengono comunemente stampate in 3D utilizzando una tecnica di fabbricazione chiamata “fusione a letto di polvere laser” (LPBF). L’LPBF prevede la fusione e la solidificazione rapide ripetute della polvere di metallo utilizzando una sorgente di calore laser per formare un oggetto 3D. Il metallo fuso locale ad alta temperatura si adatta alla parte solida circostante a causa dell’espansione termica.
Tuttavia, il metallo fuso genera uno stress termico negativo dopo la solidificazione, che produce uno stress residuo nel piano. Questo stress residuo si accumula verso lo strato superiore con il processo di formazione ripetitivo su ogni strato e spesso porta a effetti indesiderati come delaminazione, screpolature e deformazione. Inoltre, la deformazione e la deformazione residua sono di natura asimmetrica e si adattano alle dimensioni della parte metallica fabbricata. Di conseguenza, lo stampaggio integrato di grandi parti metalliche, come gli ugelli di razzi, è estremamente impegnativo.
Per affrontare questo problema, un team di ricercatori giapponesi e statunitensi, guidato dal professor Akihiro Takezawa della Waseda University, ha ora proposto una strategia di progettazione ottimizzata per AM. “La stampa 3D in metallo LPBF, che è stata al centro di molta attenzione negli ultimi anni, soffre di grandi deformazioni delle parti stampate. In questo studio, abbiamo sviluppato un metodo per ridurre la deformazione residua ottimizzando contemporaneamente la struttura interna della parte fabbricata e la direzione della scansione laser”, spiega Takezawa.
Nel loro studio reso disponibile online il 13 ottobre 2022 e pubblicato nel volume 60, parte A della produzione additiva , il team, tra cui il dottor Qian Chen e il professor Albert C. To dell’Università di Pittsburgh, USA, ha studiato la riduzione della deformazione residua concentrandosi sull’impilamento residuo a strati e utilizzando la tecnica di distribuzione del riempimento a reticolo. Hanno impiegato una metodologia numerica chiamata “metodo della deformazione inerente a formula ricorrente” per analizzare la deformazione residua. In questo, hanno modellato il reticolo in base alla rigidità effettiva e alla deformazione intrinseca anisotropa utilizzando un algoritmo di ottimizzazione basato sul gradiente.
In LPBF AM, il team ha ottimizzato contemporaneamente due aspetti del processo di fabbricazione: l'”orientamento del tratteggio” del laser o direzione di scansione che utilizza l’asimmetria dello stress residuo e la struttura interna del materiale fabbricato o la “distribuzione della densità del reticolo” considerando lo strato -saggio impilamento delle sollecitazioni residue. Di conseguenza, hanno perfezionato la loro metodologia per garantire l’influenza sinergica dell’ottimizzazione simultanea.
Inoltre, il team ha eseguito esperimenti per verificare la loro nuova metodologia utilizzando piastre quasi 2D, staffe 3D e bielle 3D. Rispetto ai progetti di riferimento standard in uso, la loro strategia di progettazione ha ridotto le deformazioni dei bordi verticali del 23–39% nelle lastre quasi 2D. Nei casi di staffe 3D e bielle, le riduzioni di deformazione variavano tra il 13 e il 20%.
Nel complesso, la metodologia proposta in questo studio potrebbe annunciare un notevole sviluppo nella stampa 3D utilizzando la fabbricazione LPBF. La riduzione della deformazione e della deformazione residua è fondamentale per lo stampaggio di componenti metallici di grandi dimensioni. “I recenti miglioramenti nella tecnologia di stampa 3D in metallo hanno reso possibile la produzione di parti stampate più grandi. In questa luce, la nostra metodologia dovrebbe idealmente consentire la stampa 3D di qualsiasi parte metallica di grandi dimensioni”, conclude un ottimista Takezawa.
Riferimento
Autori: Akihiro Takezawa a , Honghu Guo a , Ryotaro Kobayashi a , Qian Chen b , Albert C. To b
Titolo del documento originale: Ottimizzazione simultanea degli orientamenti di tratteggio e distribuzione della densità del reticolo per la riduzione della deformazione residua nella fusione del letto di polvere laser considerando lo stress residuo a strati stacking
Journal: Additive Manufacturing
(Bottom) Schema della strategia di ottimizzazione sinergica.
Didascalia immagine: Un team di ricercatori giapponesi e statunitensi propone una strategia di riduzione della deformazione nella produzione additiva (AM) basata su LPBF che prevede un’ottimizzazione sinergica dell’orientamento del tratteggio laser e della distribuzione della densità del reticolo.
Questa nuova metodologia promette di facilitare la stampa 3D di componenti metallici di grandi dimensioni in AM attraverso una significativa riduzione della deformazione residua.
Credito immagine: Akihiro Takezawa dell’Università di Waseda, Giappone