Tecniche di additive manifacturing

L’additive manifacturing (AM) è una tecnica basata sulla produzione di manufatti mediante aggiunte progressive di materiale, al contrario di quanto avviene con i metodi tradizionali (tornitura, fresatura ecc.) che sono di tipo sottrattivo. Questa tecnica è ormai impiegata in tutti i settori dell’ingegneria dove i componenti richiesti possiedono forme complesse (si pensi alla paletta di una turbina a reazione), permettendo di ridurre notevolmente i tempi di produzione (Bahnini, et al., 2018), a partire dalla progettazione, fino alla realizzazione del componente. Tutti questi vantaggi hanno motivato lo sviluppo di questa tecnica e, a questo riguardo, si faccia riferimento a quanto riportato in (Lu, et al., 2017).

I metodi di lavorazione tradizionali per asportazione di truciolo sono associati lunghi tempi e costi di produzione: ciò ha incoraggiato la ricerca nell’ambito dell’additive manufacturing, consentendo di ottenere manufatti aventi forme complesse, con cavità interne o strutture trabecolari, impossibili da ottenere con i tradizionali metodi di lavorazione.

La maggior parte delle tecniche additive, per quanto riguarda i materiali metallici, si basa sull’utilizzo di polveri oppure di bobine di filo come materia prima, che viene fusa strato per strato da una sorgente di calore, per poi solidificare durante la fase di raffreddamento. Il processo di stampa di un manufatto si basa, quindi, su una successione di fasi (deposizione e fusione della materia prima), ripetuta strato per strato fino all’ottenimento del componente richiesto (Tan, et al., 2015) (Mostafaei, et al., 2017)

La tecnica dell’additive manifacturing ha avuto il suo avvento con l’utilizzo di materie plastiche, ma al giorno d’oggi sono in uso molti processi indirizzati anche ai materiali metallici. Tra le tecniche di AM, quelle basate sulla fusione di un letto di polvere come la Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), o Selectiv Laser Melting (SLM), e l’Electron Beam power Bed Fusion (EB-PBF), meglio nota come Electron Beam Melting (EBM), sono state ampiamente sviluppate e sperimentati negli ultimi anni (Gibson, et al., 2015), attirando l'attenzione dell’industria per i vantaggi che ne conseguono, primo fra tutti l'impareggiabile libertà di progettazione e la facilità con cui i componenti, una volta progettati, vengono realizzati (Frazier, 2014). Con questi metodi, è diventato possibile produrre in modo affidabile manufatti tridimensionali con forme alquanto complesse, utilizzando una serie di materiali, inclusi acciaio, alluminio e titanio

Le due tecniche L-PBF e EB-PBF hanno alla base gli stessi principi di funzionamento: una sorgente di calore focalizzata, che può essere un fascio laser oppure un fascio di elettroni, fonde le particelle di polvere, che raffreddano ad alta velocità e di conseguenza danno origine ad una microstruttura più fine rispetto ai metodi usuali di colata (è possibile consultare il modello predittivo della microstruttura sviluppato nel documento (Salsi, et al., 2018)).

In generale, questo si traduce in una maggiore proprietà di resistenza a trazione, anche se i manufatti possono essere affetti da microporosità che provocano una diminuzione dell’allungamento rispetto ai prodotti ottenuti con le comuni tecniche di lavorazione plastica. Tuttavia, l'uso delle diverse fonti di energia per la fusione del letto di polvere richiede determinate condizioni di lavorazione da cui scaturiscono caratteristiche distinte (Fousová, et al., 2018): nel caso della tecnica L-PBF il processo viene eseguito in atmosfera di gas inerte, mentre nella tecnica EB-PBF il processo di fusione avviene in condizioni di vuoto per evitare la deflessione del fascio di elettroni.

Nel processo L-PBF, le particelle di polvere assorbono l'energia termica dai fotoni, mentre nella tecnica EB-PBF il fascio di elettroni penetra all'interno della polvere convertendo la sua energia cinetica in energia termica. Il diametro del fuoco del fascio elettronico è maggiore rispetto a quello del Laser: di conseguenza, la risoluzione è minore e le caratteristiche dimensionali e di finitura superficiale dei prodotti ottenuti sono tipicamente meno fini di quelli prodotti con la tecnica L-PBF. In particolare, la tecnica L-PBF funziona con velocità di scansione intorno a 0,4 m / s, che è un ordine di grandezza inferiore a quello utilizzato nella tecnica EB-PBF, quindi la tecnica L-PBF è anche caratterizzata da tempi di produzione più veloci ma che vanno a scapito della finitura superficiale (Rafi, et al., 2013,).

D'altra parte, l'EB-PBF è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla tecnologia laser e il vuoto consente una migliore lavorazione dei metalli reattivi, come ad esempio il Titanio.

Inoltre, L-PBF lavora su un letto di polvere fredda, mentre EB-PBF opera su un letto preriscaldato per ottenere una leggera sinterizzazione delle particelle di polvere e contrastare la carica elettrostatica. Di conseguenza, ci sono diverse condizioni di cristallizzazione per i due metodi. In generale, le velocità di raffreddamento più elevate, che si hanno durante il processo L-PBF, migliora la resistenza meccanica; tuttavia, i più alti gradienti di temperatura nella tecnica L-PBF, rispetto a EB-PBF, hanno come conseguenza la presenza di stress residui all’interno del materiale (Wysocki, et al., 2017).

I prodotti in leghe di Ti possono essere realizzati rapidamente sia tramite L-PBF che EB-PBF, senza i soliti problemi associati alle lavorazioni convenzionali, come la generazione di calore, l'attrito, l'uso di molti strumenti e i lunghi tempi, a cui si aggiunge un notevole spreco di materiali. Poiché l’ EB-PBF opera in condizioni di vuoto, ci sono grandi vantaggi nel caso della polvere di Ti, perché questo elemento ha alta affinità con l'ossigeno (Svensson, et al., 16–20 October 2011.).

Inoltre, grazie al preriscaldamento, i componenti prodotti con la tecnica EB-PBF sono soggetti a gradienti termici inferiori, e di conseguenza sono caratterizzati da moderata insorgenza di microfratture dovute a variazioni termiche e limitate tensioni residue dovute a riscaldamento non uniforme (Murr, et al., 2012).

D'altra parte, i componenti prodotti da EB-PBF soffrono di una scarsa qualità della superficie a causa della finitura ruvida che deriva dal processo di fusione del letto di polvere (Ahmed, et al., 2017). Nonostante la scarsa finitura superficiale che deriva dal processo di fusione, i manufatti non sono affetti dalle porosità che si generano durante il processo L-PBF quando il gas inertizzante rimane intrappolato all'interno delle particelle di polvere.

Le tecniche basate sulla fusione del letto di polvere tramite Laser o fascio di elettroni generano manufatti aventi buone proprietà meccaniche, tuttavia possono presentare degli stress fermici dovuti al raffreddamento, che possono essere ridotti operando dei successivi trattamenti, come, ad esempio, sottoponendo i manufatti a trattamento di hot isostatic pressing (Qiu, et al., 2013) (Popov, et al., 2018) grazie a cui si riducono le tensioni residue e le eventuali porosità aumentando così le proprietà meccaniche del manufatto.

La lega Ti-6Al-4V è la lega di Titanio più utilizzata. Le sue applicazioni tipiche sono differenti, infatti essa viene selezionata per ambienti di lavoro particolarmente critici per quanto riguarda soprattutto le temperature; inoltre è un materiale con una resistenza meccanica elevata, che viene utilizzato nel caso di strutture e componenti molto sollecitati. Le applicazioni tipiche, come detto in precedenza, sono nell’ambito aereonautico, marino, per scambiatori di calore, componenti per di motori endotermici, compressori e palette per turbine a reazione.

I due elementi di lega presenti, quali Alluminio e Vanadio, sono rispettivamente stabilizzanti della fase α e della fase β della lega.

La lega Ti-6Al-4V rientra nella categoria delle leghe di titanio α+β, che possono avere microstrutture e conseguentemente proprietà meccaniche, in dipendenza della storia termica che determina la quantità e la disposizione delle fasi. Questo è uno dei motivi per cui la lega Ti-6Al-4V, utilizzata nella tecnica EBM, è strettamente influenzata dai parametri di processo.

In relazione alle condizioni di processo e alle dimensioni del manufatto realizzato, l’EB-PBF dà luogo durante il processo ad una rapida solidificazione direzionale, che genera alta velocità di raffreddamento da temperature superiori al β -transus, traducendosi in microstrutture lamellari fini con morfologia “a canestro” (basket wave), oppure con morfologia aciculare martensitica.

Pertanto, dai parametri di processo della tecnica EB-PBF discendono sia le caratteristiche microstrutturali del materiale che le caratteristiche superficiali, con effetti sulle proprietà meccaniche (Al-Bermani, et al., 2010) (Maizza, et al., 2019). Le condizioni della superficie del manufatto sono influenzate anche dalla granulometria della polvere, che in genere dà luogo a una notevole rugosità superficiale, apprezzata e richiesta in chirurgia. Infatti, gli impianti che si producono come protesi ossee, data la loro rugosità superficiale supportano in maniera molto efficace l' osteointegrazione, facilitando la crescita del tessuto osseo sulla protesi impiantata. La comunità scientifica, visti gli enormi vantaggi che derivano dall’applicazione della tecnica EB-PBF, ha compiuto notevoli sforzi per quanto riguarda la caratterizzazione delle proprietà meccaniche di manufatti in lega Ti-6Al-4V, le cui proprietà sono chiaramente influenzate dalle caratteristiche della microstruttura, dallo stato della superficie e dalla porosità interna.

Grazie agli studi condotti su tale lega e sul metodo di produzione, la panoramica sullo stato dell'arte è ampia: tenendo conto delle diverse condizioni dei campioni (come costruzione, lavorati a macchina, trattati termicamente), sono stati eseguiti studi sull’utilizzo a temperatura ambiente considerando pure l'effetto del loro orientamento nel processo di costruzione (Lewandowski, et al., 2016) (Kok, et al., 2018) (Liu, et al., 2019)

A questo proposito, in un lavoro recente (Aliprandi, et al., 2019) è stata trattata la caratterizzazione microstrutturale e meccanica, indagando in particolare il comportamento alle alte temperature e quindi in regime di scorrimento viscoso, di provini realizzati con polvere della lega Ti-6Al-4V ELI grado 23.