La formazione di spruzzi, gocce e particelle espulse rappresenta uno dei fenomeni più difficili da controllare nella fusione laser a letto di polvere. Un lavoro scientifico pubblicato dalla rivista Virtual and Physical Prototyping di Taylor & Francis esamina il meccanismo con cui si generano gli spruzzi di grandi dimensioni e il modo in cui possono compromettere la qualità superficiale dei componenti prodotti mediante fabbricazione additiva.
Lo studio combina osservazioni effettuate durante la lavorazione con una simulazione accoppiata delle fasi solida, liquida e gassosa. L’obiettivo è ricostruire non soltanto la traiettoria delle particelle, ma anche le interazioni fisiche che ne determinano la formazione, l’accrescimento e la ricaduta sul letto di polvere o sul pezzo.
L’analisi è rilevante per le applicazioni industriali della tecnologia Laser Powder Bed Fusion, indicata anche con le sigle LPBF o PBF-LB/M. Nel settore aerospaziale, energetico e medicale, la qualifica di un componente metallico richiede un processo ripetibile e una documentazione adeguata dei fenomeni che possono generare difetti. Gli spruzzi costituiscono una delle variabili da comprendere perché possono influenzare porosità, rugosità, stabilità del processo e condizioni della polvere.
Che cosa accade nel bagno di fusione
Nel processo LPBF, un fascio laser scorre sopra un sottile strato di polvere metallica seguendo le traiettorie definite dal file di produzione. L’energia del laser fonde localmente il materiale e crea un bagno di fusione di dimensioni ridotte, caratterizzato da temperature elevate e da movimenti fluidodinamici intensi.
L’interazione tra fascio laser e metallo provoca anche l’evaporazione di una parte del materiale. Il vapore metallico esercita una pressione di rinculo sulla superficie del bagno fuso, mentre il getto di vapore interagisce con il gas inerte presente nella camera di costruzione. Questi fenomeni possono spostare la polvere non ancora fusa, deformare la superficie liquida ed espellere gocce incandescenti.
Nella camera di processo agiscono nello stesso momento pressione di rinculo, tensione superficiale, viscosità del metallo, gravità, flusso del gas protettivo e forze aerodinamiche. Anche le variazioni della profondità del bagno di fusione e l’eventuale formazione di una cavità di keyhole contribuiscono all’instabilità.
Lo spatter non è quindi un singolo fenomeno. Le particelle espulse possono essere gocce provenienti dal bagno fuso, agglomerati formati dalla collisione tra più gocce oppure particelle di polvere trascinate dal flusso di vapore e gas. Dimensione, temperatura, velocità e stato di ossidazione possono variare in misura considerevole.
Perché le particelle più grandi destano maggiore attenzione
Gli spruzzi più piccoli possono raffreddarsi durante il volo, essere trasportati verso il sistema di filtrazione oppure depositarsi lontano dalla zona di costruzione. Le particelle di dimensioni maggiori possiedono una massa più elevata e possono seguire traiettorie differenti, resistendo maggiormente all’azione del flusso di gas.
Quando una grossa particella ricade sul componente, può sporgere rispetto allo strato di polvere appena distribuito. Il passaggio del recoater rischia allora di trascinarla, schiacciarla contro la superficie o urtarla. In alcuni casi, l’interazione può produrre striature nel letto di polvere, una distribuzione irregolare del materiale o un’interruzione del ciclo.
Se lo spruzzo viene investito dal laser in uno strato successivo, potrebbe non fondersi completamente. Una particella troppo grande richiede infatti più energia per raggiungere la fusione rispetto ai granuli della polvere originaria. Il risultato può essere una zona di mancata fusione, accompagnata da porosità o da un collegamento incompleto con il materiale circostante.
Le gocce possono anche saldarsi direttamente alla superficie del pezzo. In questo caso contribuiscono ad aumentare la rugosità e possono diventare punti di concentrazione delle tensioni. Superfici irregolari e pori vicini alla superficie possono favorire l’innesco di cricche quando il componente è sottoposto a carichi ciclici.
Una simulazione che collega solido, liquido e gas
Il lavoro pubblicato da Taylor & Francis adotta un modello accoppiato solido-liquido-gas per descrivere il comportamento della polvere, del bagno fuso e dell’atmosfera della camera come parti di un unico sistema.
Una simulazione limitata al bagno di fusione potrebbe descrivere le oscillazioni del metallo liquido senza ricostruire in modo adeguato il trasporto delle particelle nel gas. Un modello dedicato al solo flusso gassoso potrebbe invece prevedere le traiettorie senza spiegare come la particella si sia formata. L’accoppiamento delle tre fasi serve a collegare la nascita dello spruzzo alle conseguenze osservabili sulla superficie.
Il modello viene informato mediante dati raccolti con sistemi di monitoraggio in situ. Le immagini del processo consentono di confrontare plume, particelle luminose e comportamento del bagno di fusione con quanto previsto dalla simulazione. Questa verifica è essenziale: un modello fisico può risultare dettagliato sul piano matematico ma poco utile nella produzione se non riproduce gli eventi osservati all’interno della macchina.
L’uso del monitoraggio in situ permette inoltre di stabilire una relazione fra determinate anomalie visive e le condizioni fisiche che potrebbero averle generate. Una scia luminosa osservata da una telecamera non indica automaticamente la presenza di un difetto. Occorre conoscere dimensione, temperatura, direzione e probabile punto di ricaduta della particella.
La formazione degli agglomerati
Gli spruzzi di grandi dimensioni non derivano necessariamente dall’espulsione di un’unica grossa porzione di metallo. Possono formarsi anche quando gocce più piccole entrano in collisione durante il volo e si uniscono prima di solidificare.
Un precedente studio pubblicato su Nature Communications aveva individuato due meccanismi principali: la frammentazione del liquido provocata dalle oscillazioni del bagno di fusione e la coalescenza di gocce che si incontrano sopra il letto di polvere. I ricercatori avevano mostrato che la stabilizzazione del bagno e la riduzione delle collisioni potevano limitare la produzione di spruzzi di grandi dimensioni.
La forma degli agglomerati può influenzarne il comportamento aerodinamico. Una particella sferica e una struttura irregolare di uguale massa non reagiscono nello stesso modo al flusso di gas. Per questa ragione, i modelli di trasporto devono considerare non soltanto il diametro equivalente, ma anche morfologia, densità apparente e temperatura.
Le osservazioni di Carnegie Mellon University e NIST
Un’altra ricerca, condotta da Carnegie Mellon University e dal National Institute of Standards and Technology, ha sviluppato un metodo per misurare con maggiore precisione dimensioni, forme e punti di atterraggio degli spruzzi all’interno di una macchina LPBF.
L’esperimento è stato eseguito con una EOS M290, prodotta da EOS, utilizzando polvere vergine di superlega di nichel 625. I ricercatori hanno collocato nella camera una sottile piastra metallica dotata di rivestimento adesivo, progettata per catturare le particelle mantenendole vicine al punto di caduta originario.
La piastra è stata esaminata con un microscopio ottico Zeiss Axio Imager.Z2m, prodotto da ZEISS. Le immagini sono state elaborate mediante una rete neurale convoluzionale, addestrata a distinguere gli spruzzi dal fondo adesivo e da altri contaminanti.
L’indagine ha indicato che le particelle superiori a 100 micrometri tendono a presentarsi come agglomerati non sferici. Alcuni spruzzi con dimensioni superiori a 200 micrometri hanno percorso distanze fino a 150 millimetri nella direzione del flusso di gas. I risultati mostrano quanto possa essere estesa l’area contaminata anche quando la sorgente dello spatter è localizzata.
Questa ricerca non coincide con lo studio descritto da Fabbaloo, ma fornisce una conferma sperimentale dell’importanza di collegare dimensione, forma e punto di ricaduta delle particelle. Dati di questo tipo possono essere utilizzati per verificare l’attendibilità delle simulazioni di trasporto.
Il ruolo del gas protettivo
La camera di una macchina LPBF viene riempita con un gas inerte, come argon o azoto, scelto in funzione del materiale e del processo. Il gas limita l’ossidazione e trasporta fuori dalla zona di lavoro vapori, fumi e particelle.
Un flusso insufficiente può lasciare residui sopra il letto di polvere. Un flusso irregolare può invece creare aree della piattaforma nelle quali gli spruzzi tendono ad accumularsi. Velocità, direzione e uniformità del gas diventano quindi parte integrante della qualità di processo.
Nelle piattaforme di grandi dimensioni e nei sistemi dotati di più laser, la gestione del flusso presenta ulteriori difficoltà. Le emissioni prodotte da una zona possono attraversare l’area di lavoro di un altro laser, mentre componenti alti o geometrie distribuite sulla piattaforma possono modificare localmente il movimento del gas.
Una simulazione verificata sperimentalmente può aiutare i produttori di macchine a progettare ugelli, condotti di aspirazione e strategie di flusso più efficaci. Può anche aiutare gli operatori a comprendere perché una determinata posizione sulla piattaforma presenti una maggiore probabilità di contaminazione.
Gli effetti sulla qualità superficiale
La rugosità dei componenti LPBF non dipende soltanto dagli spruzzi. Influiscono anche spessore dello strato, granulometria della polvere, orientamento delle superfici, parametri laser, geometria e presenza di supporti. Gli spruzzi possono tuttavia aggiungere materiale in posizioni non previste o alterare la fusione degli strati successivi.
Il problema assume un peso economico quando la superficie deve essere lavorata dopo la stampa. Fresatura, sabbiatura, rettifica, lucidatura e trattamenti chimici aumentano tempi e costi. Le operazioni diventano più complesse per canali interni, strutture reticolari e cavità non raggiungibili dagli utensili.
Nei componenti destinati a sopportare carichi ciclici, la finitura superficiale può incidere anche sulla resistenza a fatica. Una particella saldata, una cavità o una zona di mancata fusione possono comportarsi come punti di innesco per una cricca.
Dalle immagini alla decisione di processo
Molte piattaforme industriali integrano telecamere, fotodiodi, sensori termici e sistemi di controllo del letto di polvere. Questi dispositivi producono grandi quantità di dati, ma la rilevazione di un’anomalia non equivale alla diagnosi di un difetto.
Per essere utile, un sistema deve distinguere gli eventi innocui da quelli che richiedono un intervento. Fermare una costruzione per ogni particella osservata renderebbe il processo inefficiente; ignorare gli spruzzi di grandi dimensioni potrebbe invece compromettere un componente costoso.
L’associazione tra monitoraggio e simulazione fisica può migliorare questa classificazione. Un sistema potrebbe stimare se una particella sia abbastanza grande da ostacolare il recoater, se la sua traiettoria intersechi il pezzo e se la temperatura sia ancora sufficiente per saldarsi alla superficie.
Con ulteriori verifiche, questi modelli potrebbero contribuire allo sviluppo di controlli ad anello chiuso. La macchina potrebbe modificare parametri laser, flusso di gas o strategia di scansione, oppure segnalare una zona da sottoporre a ispezione. Un’applicazione industriale richiederebbe però tempi di calcolo compatibili con il processo e una bassa percentuale di falsi allarmi.
I limiti del passaggio dal laboratorio alla produzione
Le condizioni presenti in una macchina industriale cambiano da una costruzione all’altra. La polvere può essere vergine o riciclata, la distribuzione granulometrica può variare, i filtri possono caricarsi e le finestre ottiche possono contaminarsi. Anche umidità, contenuto di ossigeno e stato delle guarnizioni possono modificare il processo.
Materiali differenti producono bagni di fusione con proprietà termiche e fluidodinamiche diverse. Un modello calibrato su una lega di nichel non può essere trasferito senza verifiche a titanio, alluminio, acciaio o leghe di rame.
La geometria del componente introduce altre variabili. Vettori di scansione brevi, pareti sottili, zone massicce e cambiamenti di sezione generano storie termiche differenti. Una previsione valida su un provino semplice deve quindi essere verificata su geometrie industriali, macchine differenti e più lotti di polvere.
Lo studio discusso da Fabbaloo offre soprattutto un metodo per collegare osservazione e interpretazione fisica. Il suo valore industriale dipenderà dalla capacità di mantenere tale collegamento in condizioni produttive variabili e di tradurlo in criteri utilizzabili dagli operatori.
Verso un controllo più informato della stampa 3D metallica
La comprensione degli spruzzi non elimina da sola i difetti della fusione laser a letto di polvere. Offre però una base per migliorare progettazione delle camere di processo, strategie di scansione, monitoraggio in situ e gestione della polvere.
L’aspetto centrale della ricerca è il tentativo di spiegare perché una determinata particella diventi grande, quale percorso segua e come possa alterare la superficie. Il passaggio dalla semplice registrazione di un segnale luminoso alla ricostruzione del fenomeno fisico può rendere i dati di processo più utili per la produzione e per la qualifica dei componenti.
Per i produttori di sistemi LPBF e per le aziende che utilizzano la fabbricazione additiva metallica, l’obiettivo non è eliminare qualsiasi espulsione di materiale, risultato difficilmente raggiungibile, ma riconoscere gli eventi con maggiore probabilità di produrre difetti e intervenire prima che compromettano la costruzione.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
