Monitoraggio in tempo reale dei pori nella stampa 3D metallica
Un team guidato dalla Penn State University ha ottenuto un finanziamento di 1 milione di dollari dal programma SURGE (Structures Uniquely Resolved to Guarantee Performance) di DARPA, l’agenzia del Dipartimento della Difesa statunitense dedicata alla ricerca avanzata. L’obiettivo è integrare sensori acustici e microfoni a ultrasuoni nella camera di stampa per rilevare, quantificare e localizzare le porosità durante il processo di Laser Powder Bed Fusion (LPBF), senza attendere l’ispezione post-stampa.
Il fenomeno dei pori e le tecniche comuni di controllo
Nella fusione selettiva di polveri metalliche, il laser genera un “bagnato” fuso che, solidificandosi, può inglobare bolle microscopiche d’aria. Questi difetti compromettono la resistenza meccanica del pezzo e richiedono ispezioni successive mediante tomografia a raggi X, procedure costose e lente che rallentano la catena di fornitura delle parti per impiego difensivo.
Acustica e imaging sincronizzato
Christopher Kube, associato al dipartimento di Engineering Science and Mechanics di Penn State, ha scoperto che i bagnati fusi emettono toni caratteristici quando i gas formano microbolle, un fenomeno simile a una “voce” delle cavità prima del loro congelamento in pori. Applicando brevi impulsi ultrasonici all’interno della camera di stampa, le bolle vengono stimolate a vibrare in modo riconoscibile, consentendo ai microfoni integrati di “ascoltare” il nascere dei pori.
Collaborazione con l’Advanced Photon Source
Per validare le correlazioni tra segnali acustici e formazione di porosità, il gruppo di ricerca collabora con l’Advanced Photon Source (APS) di Argonne National Laboratory. Qui, grazie all’imaging a raggi X ad alta velocità, è possibile riprendere in diretta la genesi delle microbolle durante la fusione. Le immagini ottenute forniranno i dati di addestramento per addomesticare algoritmi in grado di decifrare le firme acustiche registrate nei sistemi di stampa di Penn State.
Team interdisciplinare e competenze coinvolte
Oltre a Kube, il progetto coinvolge quattro co-investigatori:
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Allison Beese (professoressa di Materials Science and Engineering e Mechanical Engineering, Penn State) si occupa dell’analisi metallurgica dei campioni stampati.
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Andrea Argüelles (associata di Engineering Science and Mechanics e di Acoustics) guida lo sviluppo dei microfoni ultrasonici e delle tecniche di elaborazione del segnale.
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Tao Sun (associato di Mechanical Engineering alla Northwestern University) contribuisce con la sua esperienza in progettazione dei processi LPBF e controllo ottico del pool fuso.
Obiettivi di efficienza e qualità
Le specifiche del DARPA SURGE richiedono di misurare pori di dimensioni inferiori a 25 micron e localizzarli entro 125 micron di accuratezza. Questi parametri sono necessari per alimentare modelli predittivi della microstruttura e della resistenza finale del componente. Se validato, il sistema potrà trasformare le catene di montaggio metalliche, permettendo “print farms” in grado di produrre parti certificate e installabili immediatamente in sistemi di difesa.
Sviluppo e validazione sperimentale
Lo sviluppo inizierà nei laboratori di Penn State, dove verranno integrate le sonde acustiche nei costruttori LPBF. Entro la fine del 2026, è previsto un test di stampa con rilevamento in linea dei difetti e confronto tra misurazioni acustiche e tomografie X. Parallelamente, il team compilerà la documentazione tecnica per l’omologazione militare, inclusi report di simulazione FEM e procedure di collaudo.
Impatto sul settore della produzione additiva
DARPA, nota per sostenere progetti ad alto rischio e potenziale elevato, punta con SURGE a estendere la sicurezza e l’affidabilità dei componenti stampati anche ai settori aerospaziale e automobilistico. L’approccio di Penn State apre la strada a tecniche di controllo “in-process” che riducono scarti e rilavorazioni, aumentando la sostenibilità e l’autonomia produttiva delle filiere metalliche.
