Stampa dei provini

Le attività sperimentali hanno avuto inizio con la stampa dei campioni. In tabella 9 sono riportati i principali parametri adottati per la stampa dei provini, secondo le indicazione del costruttore della macchina. I componenti principali della macchina adottata (EBM Arcam Q10) sono mostrati in figura 58.

Tabella 9: Parametri utilizzati per la stampa dei provini

Tensione di accelerazione 60 kV

Intensità di corrente del fascio 15 mA

Potenza del fascio elettronico 900 W

Velocità di scansione 4.5 m/s

Spaziatura di scansione 200 μm

Spessore layer 50 μm

Figura 58: Macchina Arcam Q10, con indicazione di tutte le parti principali componenti la macchina come ad esempio il sistema di lenti, la camera di vuoto, fascio elettronico, piano di stampa

I provini sono stati progettati in riferimento allo standard ASTM E8 M, prevedendo due differenti direzioni di costruzione:

A. deposizione di strati secondo piani paralleli alla direzione dell’asse del provino (asse x), ovvero crescita secondo l’asse z.

B. deposizione di starti su piani ortogonali all’asse del provino, ovvero crescita secondo la direzione dell’asse x.

Pertanto, i provini denominati A e B, che sono riportati in figura 59, hanno rispettivamente la sezione longitudinale complanare con il piano di lavoro; in questo caso la direzione di costruzione (asse z) è ortogonale alla direzione di applicazione del carico nel corso delle prove di trazione e di creep.

Per i provini B invece, la sezione trasversale è complanare con il piano di lavoro e la direzione di costruzione (asse z) è coincidente con la direzione di applicazione del carico.

Figura 59: Provini stampati con differenti direzioni di costruzione, provino A: direzione di crescita complanare al piano x-y; provino B: direzione di crescita perpendicolare al piano xy

Per la costruzione dei provini, la strategia di scansione è di tipo snake x-y (vedi articolo di Zhang ed altri), secondo lo schema indicato in figura 60

Figura 60: Strategia di stampa adottata di tipo snake x-y

Il fascio di elettroni, opportunamente concentrato per ottenere la fusione, impatta sul letto di polveri presinterizzato descrivendo un percorso con linee parallele alternate; tra due strati successivi, la direzione delle linee alternate viene ruotata di 90°, in modo da incrociare il percorso precedente e quindi ottenere uno strato deposto ortogonale a quello precedente Questo tipo di scansione permette così di ottenere componenti le cui proprietà si possono considerare omogenee rispetto a due direzioni ortogonali (assi x-y del piano di processo).

8.4.3 Polvere utilizzata

Per la stampa dei campioni è stata utilizzata la polvere Arcam AB della lega Ti-6Al-4V ELI Grado 23, con ridotto contenuto di O, N, C e Fe (Tabella 2), avente granulometria compresa tra 45 e 100 μm, la cui composizione è riportata in tabella 10.

Il basso contenuto di elementi interstiziali consente una maggiore duttilità e tenacità a frattura rispetto alla polvere base di grado 5.

La composizione dei provini prodotti è stata verificata tramite spettrofotometria XRF (tabella 10), misurando un contenuto di alluminio intorno al 5%, inferiore quindi a quello nominale. Ciò può essere attributo alla volatilità dell'alluminio che, alle temperature raggiunte nel bagno, di fusione evapora, come documentato in bibliografia (Gaytan, et al., 2009).

Tabella 10: Range di composizione della polvere Ti-6Al-4V grado 23 utilizzata per le attività sperimentali di stampa dei provini

Al V C Fe O N H Ti

Composizione della polvere utilizzata

6.0 4.0 0.03 0.1 0.1 0.001 <0.003 Bal.

Range di composizione della polvere Ti-6Al-4V Grado 23 secondo lo standard ASTM F136

Si riportano di seguito le dimensioni dei provini utilizzati per eseguire le prove meccaniche e le indagini di laboratorio. Entrambi i provini, anche se realizzati con differenti direzioni di costruzione, hanno le stesse dimensioni:

 Provino A: lunghezza totale 120 mm, dimensione degli afferraggi 24 mm, lunghezza tratto utile 33 mm, larghezza tratto utile 6 mm e spessore 3 mm, direzione di costruzione lungo l’asse z, ortogonale a quella di applicazione del carico.

 Provino B: lunghezza totale 120 mm, dimensione degli afferraggi 24 mm, lunghezza tratto utile 33 mm, larghezza tratto utile 6 mm e spessore 3 mm, direzione di costruzione lungo l’asse z, parallela a quella di applicazione del carico.

Si riporta in figura 61 il disegno quotato dei provini utilizzati per le indagini sperimentali.

Figura 61: Disegno quotato dei provini utilizzati per le indagini sperimentali

In figura 62 si riporta un’immagine di un campione stampato. Si notano le caratteristiche strutturali del supporto che viene generato durante il processo di stampa e che è stato accuratamente rimosso tramite delle operazioni manuali di levigatura. Si può inoltre osservare la rugosità della superficie laterale che risulta dal processo di stampa.

Figura 62: Provino nelle condizioni di fornitura

Nelle condizioni di costruzione le superfici laterali presentano un'elevata rugosità, che viene ridotta mediante levigatura con una mola manuale. Durante la preparazione dei provini, come detto precedentemente, le superfici laterali sono state levigate con l’utilizzo di carte abrasive che hanno ridotto lo spessore a 2,5 mm. Oltre alla superficie laterale sono state levigate anche le superfici superiori. Le lavorazioni di levigature sono state effettuate in modo da preparare i campioni per i successivi test di trazioni.

Le osservazioni delle superfici dei provini mediante microscopia ottica ed elettronica in scansione (SEM) sono state eseguite sulle sezioni resistenti (z-y per i provini A e x-y per i provini B), preparate con i consueti metodi metallografici e attaccate per 10 s mediante il reagente Kroll.

Sono state effettuate anche osservazioni di microscopia confocale su tutte le tipologie di campioni, per valutare la topografia delle superfici e la sua influenza sulle proprietà meccaniche. Sono state previste inoltre misurazioni XRD mediante uno spettro-goniometro con sorgente emittente di radiazione CuKα1 (1.5406 Å), con tensione di accelerazione pari a 40 kV e corrente 40 mA.

Le prove di trazione sono state eseguite con controllo della deformazione, con una velocità nell'intervallo 1·10-3_–2·10-3 _s-1_.

Le prove di creep sono state eseguite nell'intervallo di temperatura tra 400 e 600 °C, impostando un carico costante per ottenere la velocità di deformazione della fase stazionaria non superiore a 10-5 _s-1_.