Volkmann vDryer rimuove l’umidità dalle polveri metalliche per la Metal AM
La qualità delle polveri metalliche rappresenta uno dei fattori più delicati nei processi di produzione additiva. Volkmann USA, società specializzata nei sistemi per la movimentazione e il trasporto pneumatico delle polveri, ha riportato l’attenzione sul proprio vDryer, un modulo progettato per ridurre l’umidità assorbita dalle polveri utilizzate nella produzione additiva metallica prima che il materiale venga trasferito alla macchina di stampa.
Il sistema utilizza un processo di essiccazione sottovuoto senza ricorrere al riscaldamento diretto del materiale. L’obiettivo di Volkmann USA è riportare la polvere a un livello di umidità definito, riducendo uno dei parametri che possono modificare il comportamento del materiale durante trasporto, dosaggio e distribuzione all’interno della macchina.
Il tema assume particolare importanza nei processi basati sulla polvere, come il Laser Powder Bed Fusion, nei quali ogni nuovo strato deve essere distribuito con caratteristiche sufficientemente uniformi prima dell’esposizione al laser.
Perché l’umidità delle polveri metalliche è importante
Le polveri utilizzate nella produzione additiva vengono normalmente sottoposte a controlli riguardanti granulometria, distribuzione dimensionale, forma delle particelle, composizione chimica, densità apparente e scorrevolezza.
A questi parametri si aggiunge l’umidità.
Anche una polvere nuova può entrare in contatto con l’umidità atmosferica durante produzione, confezionamento, trasporto, apertura dei contenitori, stoccaggio e trasferimento tra le diverse apparecchiature della linea produttiva.
La quantità di acqua assorbita dipende dal materiale, dalle condizioni ambientali, dalla superficie delle particelle e dalla durata dell’esposizione. L’effetto non è necessariamente identico per tutte le leghe metalliche, ma il controllo dell’umidità costituisce un elemento importante nella gestione del feedstock.
Quando aumenta la tendenza delle particelle ad aderire tra loro, possono formarsi agglomerati o piccoli accumuli che modificano la scorrevolezza della polvere.
Nel Powder Bed Fusion una distribuzione non uniforme può tradursi in differenze locali nella densità del letto di polvere. Poiché il laser interagisce successivamente con questo strato, l’uniformità con cui il materiale viene depositato diventa una delle condizioni necessarie per mantenere il processo sotto controllo.
La ricerca sulla caratterizzazione delle polveri metalliche considera infatti parametri come flowability e spreadability strettamente collegati alla capacità di ottenere strati ripetibili.
Il principio di funzionamento del Volkmann vDryer
Il Volkmann vDryer utilizza il vuoto per favorire la rimozione dell’umidità assorbita dalla polvere.
Riducendo la pressione all’interno del sistema, diventa possibile facilitare la separazione dell’acqua dal materiale senza sottoporre la polvere a un ciclo convenzionale di riscaldamento.
Volkmann USA utilizza una propria tecnologia di generazione del vuoto elettrico per creare le condizioni necessarie al processo. La caratteristica principale del sistema è quindi l’assenza di un apporto termico intenzionale per l’essiccazione.
Questo aspetto può essere interessante quando si lavora con materiali per i quali si desidera evitare un ulteriore ciclo termico oppure quando il produttore vuole inserire l’essiccazione direttamente nel flusso automatizzato della polvere.
Il Volkmann vDryer è progettato per lavorare fino al raggiungimento di un valore di umidità prestabilito. L’obiettivo non è quindi semplicemente mantenere la polvere sotto vuoto per un intervallo prefissato, ma fornire al processo successivo un materiale condizionato secondo un parametro definito.
Dal vDryer direttamente alla stampante 3D
Uno degli aspetti più interessanti della soluzione proposta da Volkmann USA riguarda l’integrazione del vDryer con il sistema vLoader 250.
Il Volkmann vLoader 250 è progettato per alimentare automaticamente le macchine di produzione additiva con polvere metallica attraverso un sistema pneumatico sottovuoto.
Il gruppo comprende il trasportatore, la generazione del vuoto, il sistema di filtrazione e gli elementi necessari al trasferimento della polvere. Il Volkmann vDryer può essere installato come modulo opzionale all’interno di questa architettura.
In una configurazione di questo tipo, la polvere può essere prelevata dal sistema di stoccaggio, condizionata dal Volkmann vDryer e successivamente trasferita verso la stampante senza introdurre una fase manuale intermedia.
Il vantaggio potenziale è significativo soprattutto nelle fabbriche che utilizzano più sistemi di produzione additiva, nelle quali la movimentazione manuale dei contenitori può diventare una componente importante del tempo di lavoro complessivo.
Volkmann USA indica inoltre che il vLoader 250 può essere collegato attraverso tubazioni rigide oppure flessibili e integrato con altre apparecchiature della gamma Volkmann, formando un sistema più ampio per la gestione del materiale.
Un ciclo chiuso per gestire la polvere prima e dopo la stampa
Il Volkmann vDryer non deve essere considerato solamente come un accessorio collocato accanto alla stampante.
Volkmann GmbH ha sviluppato una gamma di apparecchiature destinata a creare un ciclo più automatizzato della polvere metallica.
Tra queste rientrano PowTReX, utilizzato per il recupero e la setacciatura della polvere; vHub 250, utilizzato come sistema di accumulo intermedio; vLoader 250, destinato al caricamento automatico delle macchine; e vDock, sviluppato per collegare contenitori IBC alla rete di alimentazione.
In questa architettura il Volkmann vDryer aggiunge una fase di condizionamento del materiale.
Una linea può quindi essere configurata affinché la polvere venga trasferita, controllata, setacciata, immagazzinata temporaneamente, essiccata e nuovamente caricata nella macchina limitando le operazioni manuali.
Il concetto è particolarmente interessante quando viene riutilizzata la polvere non fusa proveniente da un precedente ciclo produttivo.
Dopo una lavorazione Powder Bed Fusion, infatti, una parte della polvere presente nella camera non viene consolidata dal laser. In funzione del materiale, del processo e delle procedure di qualificazione adottate dal produttore, questa polvere può essere recuperata, setacciata, caratterizzata e reintrodotta nel ciclo produttivo.
La gestione dell’umidità diventa quindi una componente della più ampia strategia di ricondizionamento del feedstock.
Il rapporto tra umidità e scorrevolezza
La scorrevolezza di una polvere non dipende da un singolo parametro.
Dimensione delle particelle, distribuzione granulometrica, forma, rugosità superficiale, presenza di satelliti, ossidazione e forze di coesione contribuiscono insieme al comportamento del materiale.
Anche le condizioni ambientali possono modificare queste interazioni.
L’umidità può favorire l’adesione tra particelle e modificare il modo in cui la polvere si comporta durante il trasferimento e la stesura. L’entità del fenomeno cambia però in funzione del materiale.
Per questo motivo sarebbe improprio considerare l’essiccazione come una soluzione universale capace da sola di garantire la qualità del processo.
Il Volkmann vDryer interviene su un parametro specifico: il contenuto di umidità.
La qualità finale della polvere deve continuare a essere valutata considerando tutte le altre caratteristiche richieste dal processo e dalle procedure di qualificazione utilizzate dall’azienda.
La distribuzione del letto di polvere è un parametro produttivo
Nel Laser Powder Bed Fusion, la polvere viene distribuita in strati sottili mediante un recoater o un sistema equivalente.
Se il materiale non si distribuisce in maniera regolare possono comparire aree caratterizzate da quantità differenti di polvere, particelle aggregate o variazioni della densità locale.
Durante la successiva esposizione laser, queste irregolarità possono contribuire a modificare l’interazione tra sorgente energetica e materiale.
Per questo motivo istituti di ricerca e organismi metrologici analizzano con attenzione la relazione tra caratteristiche della polvere, capacità di distribuzione e qualità del componente.
Il controllo dell’umidità proposto da Volkmann USA va interpretato all’interno di questo quadro: rendere più costanti le condizioni del materiale prima che raggiunga la macchina.
Dal materiale vergine alla polvere riciclata
Uno degli aspetti sottolineati da Volkmann GmbH è che l’umidità non riguarda esclusivamente la polvere già utilizzata.
Anche il materiale vergine può adsorbire acqua durante il trasporto e lo stoccaggio.
Questo significa che un contenitore apparentemente conforme dal punto di vista della granulometria e della composizione chimica potrebbe avere subito condizioni ambientali differenti rispetto a un altro lotto.
Nella produzione industriale, soprattutto quando devono essere documentati i parametri del feedstock, ridurre queste differenze può aiutare a costruire procedure più ripetibili.
Nel caso della polvere recuperata, la situazione può essere ancora più complessa perché il materiale ha già attraversato almeno un ciclo di stampa, movimentazione, recupero e setacciatura.
Un sistema automatizzato può quindi essere utilizzato non soltanto per spostare la polvere, ma anche per standardizzare maggiormente le condizioni nelle quali il materiale torna alla macchina.
Acciaio, alluminio, titanio e altre polveri
Secondo Volkmann USA, il sistema è destinato a un ampio gruppo di materiali utilizzati nella produzione additiva.
Tra quelli indicati da Volkmann USA figurano polveri di acciaio inossidabile, alluminio, titanio, leghe nichel-cromo, rame, cobalto, tungsteno, argento e ferro. Volkmann USA include inoltre l’allumina tra i materiali compatibili.
La disponibilità di materiali differenti rende importante la possibilità di definire procedure specifiche.
Una polvere di alluminio, per esempio, non deve essere necessariamente trattata nello stesso modo di una polvere di acciaio o titanio. Le caratteristiche superficiali, la distribuzione granulometrica e la sensibilità alle condizioni ambientali possono essere diverse.
L’impiego industriale di un sistema come Volkmann vDryer richiede quindi parametri di processo associati al materiale effettivamente utilizzato e ai requisiti stabiliti dal produttore.
Il ruolo di BMW Group e del progetto IDAM
Lo sviluppo delle soluzioni di gestione automatizzata delle polveri di Volkmann GmbH è collegato anche al progetto IDAM – Industrialization and Digitalization of Additive Manufacturing.
Il progetto ha riunito dodici partner ed è stato coordinato da BMW Group con l’obiettivo di portare la produzione additiva metallica verso processi maggiormente automatizzati e adatti alla produzione industriale.
Tra i partecipanti figuravano BMW Group, GKN Powder Metallurgy, Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT e Volkmann GmbH, insieme ad altri partner industriali e scientifici.
Le linee dimostrative sono state sviluppate presso BMW Group nell’area di Monaco e presso GKN Powder Metallurgy a Bonn.
Una parte significativa del progetto riguardava proprio la gestione automatizzata della polvere: recupero, depolverazione, setacciatura, trasporto e preparazione del materiale per il ciclo successivo.
Volkmann GmbH ha partecipato allo sviluppo di questa catena e ha utilizzato l’esperienza acquisita nel progetto IDAM per ampliare le proprie soluzioni dedicate alla produzione additiva.
Le attività svolte con Fraunhofer ILT hanno inoltre portato Volkmann GmbH a concentrarsi sul rapporto tra condizioni della polvere e qualità della lavorazione.
Il sistema centralizzato di recupero e ricondizionamento sviluppato da Volkmann GmbH nel contesto di IDAM è rimasto in uso presso l’Additive Manufacturing Campus di BMW Group anche dopo la conclusione del progetto.
Automazione e tracciabilità diventano centrali
Un impianto industriale che utilizza più macchine additive deve sapere non soltanto quale lega viene caricata, ma anche da quale lotto proviene il materiale, quante volte è stato utilizzato, come è stato conservato e quali trattamenti ha subito.
Il Volkmann vLoader 250 può essere configurato con sistemi per il controllo dell’ossigeno e dell’umidità dei singoli lotti. Questo tipo di monitoraggio permette di associare ulteriori dati alla storia della polvere.
Per settori nei quali la qualifica del componente è particolarmente severa, come aerospazio e medicale, la gestione del feedstock diventa quindi parte della documentazione del processo.
L’automazione della movimentazione può inoltre ridurre le aperture dei contenitori e il numero delle operazioni manuali, limitando le occasioni nelle quali la polvere viene esposta all’ambiente.
La sicurezza nella movimentazione delle polveri
L’automazione non riguarda soltanto la qualità.
Molte polveri metalliche fini richiedono specifiche misure di sicurezza a causa della possibilità di dispersione nell’ambiente, inalazione oppure formazione di atmosfere potenzialmente esplosive.
Volkmann GmbH utilizza sistemi chiusi e trasporto pneumatico in depressione. In caso di una perdita nel circuito, la differenza di pressione è concepita per ridurre la fuoriuscita della polvere verso l’ambiente.
Le soluzioni Volkmann GmbH destinate a determinate applicazioni possono inoltre essere configurate per l’utilizzo in ambienti soggetti ai requisiti ATEX e con sistemi di filtrazione dedicati.
Volkmann GmbH propone anche la movimentazione in atmosfera protettiva con gas come l’azoto quando il processo o il materiale lo richiedono.
La gestione della sicurezza deve comunque essere definita in funzione della specifica polvere, delle sue caratteristiche di esplosività e delle normative applicabili all’impianto.
Il vDryer come elemento della fabbrica additiva automatizzata
Il valore industriale del Volkmann vDryer non risiede soltanto nella capacità di togliere umidità dalla polvere.
La sua funzione diventa più interessante quando viene inserita all’interno di una catena automatizzata nella quale il materiale viene controllato e movimentato senza interrompere il flusso produttivo.
Una possibile configurazione può prevedere il recupero della polvere inutilizzata, la setacciatura attraverso Volkmann PowTReX, lo stoccaggio temporaneo in Volkmann vHub 250, l’essiccazione con Volkmann vDryer e il caricamento della macchina mediante Volkmann vLoader 250.
In una fabbrica composta da diverse stampanti, questo approccio consente di trattare la polvere come una vera risorsa di produzione da gestire attraverso un ciclo controllato, anziché come un materiale movimentato manualmente tra contenitori indipendenti.
È una trasformazione che accompagna la crescita della Metal Additive Manufacturing verso applicazioni di serie.
Più aumenta il numero dei componenti prodotti, maggiore diventa la necessità di eliminare variabili non controllate dal processo. L’umidità del feedstock è una di queste variabili.
Il Volkmann vDryer interviene esattamente in questo punto della catena: non modifica il principio di funzionamento della stampante 3D e non sostituisce la caratterizzazione della polvere, ma aggiunge una fase di condizionamento destinata a fornire alla macchina un materiale con condizioni più definite e ripetibili.
Per Volkmann GmbH e Volkmann USA, il futuro della produzione additiva metallica passa quindi non soltanto attraverso stampanti più veloci, ma anche attraverso sistemi di gestione della polvere capaci di controllare ciò che avviene prima e dopo ogni ciclo di costruzione.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
