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39 – Processi Powder Bed Fusion, 3.Selective Laser Sintering (SLS) -…
39 – Processi Powder Bed Fusion
Processi a letto di polvere (PBF)
SLS (Selective Laser Sintering)
• Caratteristiche di base dei processi PBF
• Una o più fonti termiche per indurre fusione tra particelle di polvere
• Metodo per controllare la fusione in una regione definita del layer
• Meccanismi di aggiunta e livellamento strati di polvere
• Le fonti termiche più comuni sono i laser e sono noti come macchine laser sintering (LS)
• Inizio
• processi LS sviluppati per prototipi polimerici con tecnica di scansione a punti
• Successivamente
• approccio esteso a polveri metalliche e ceramiche
• Sono state utilizzate ulteriori fonti termiche
• Oggi
• PBF sono utilizzati in tutto il mondo e processano:
• polimeri
• metalli
• ceramiche
• compositi
• Principali processi PBF
point
selective laser melting
direct metal laser SIntering
selective laser sintering
electron beam melting
o Funzionamento processi PBF
• Schema base:
• Cilindro di alimentazione in cui è contenuta la polvere
• Strati di polvere (0.075 – 0.1 mm) distribuiti su piattaforma di build con rullo di livellamento controrotante
• Processo in camera stagna in atmosfera protetta e piattaforma mantenuta a T elevata (es. riscaldatori a infrarossi)
• Deposito e fusione del materiale tramite sorgente formazione layer
• La polvere circostante serve come supporto per gli strati successivi (no necessità supporti secondari)
• Dopo uno strato, la piattaforma si abbassa dello spessore del layer da generare e processo si ripete
• Periodo di raffreddamento necessario (ridurre ossidazione, contrazioni irregolari)
• Parti rimosse dal letto di polvere → polvere sciolta recuperata e parte pulita
e post-processata
o Materiali per PBF
• Utilizzabili tutti i materiali che possono essere fusi e ri-solidificati
• Metalli e compositi
• Tutti i metalli che hanno buona saldabilità
• Metalli: bronzo, acciai, Ti e sue leghe, leghe di Ni, alcune leghe di Al,CoCrMo in genere resistenza a crack ad alte vel di solidificazione
• Per alcuni sistemi mLS:
• polveri metalliche ricoperte di binder termoplastici (sintering)
• Strutture cristalline prodotte per PBF metastabili – leghe opportunamente
studiate e sviluppate
• Polimeri e compositi
• Termoplastici: semi-cristallini usati per completa fusione (ritiro/distorsione/curling), amorfi tendono a sinterizzare (porosi), elastomerici (buona resistenza a T e agenti chimici)
• Molto usati: poliammide (semi-cristallina), nylon, polistirene (amorfo), polieterketoni (PAEK o PEEK)
• Polimeri biocompatibili e biodegradabili: polycaprolactone (PCL), polylactide (PLA)
• Compositi: PCL con particelle ceramiche, poliammidi con particelle di vetro,
di alluminio o fibre di carbonio
• Ceramici e compositi ceramici
• Compound: ossidi metallici, carburi, nitruri e loro combinazioni
• Più diffusi: ossidi si Al, ossidi di Ti
• Compositi: ceramici e metallico-ceramici
• Ceramici biocompatibili: calcio idrossiapatite
Meccanismi nei processi pb
o Meccanismi di fusione nei PBF
• Ci sono 4 principali meccanismi di «fusione»:
Solid-state sintering
• Processo di consolidamento che avviene a T<Tmelting che governa agglomerazione di molti materiali
• Meccanismo di sintering: driving force diffusione tra particelle di polvere
Livelli di porosità molto bassi necessari lunghi tempi di sintering o alte temperature
Superficie totale di letto di polvere è funzione delle dimensioni delle particelle
↑ rapporto superficie/volume ↑ driving force particelle più piccole sinterizzano prima
Più breve è tempo di formazione del layer, più economico e competitivo il processo fusione per sintering è + lunga della fusione per melting
• Processi AM non utilizzano sintering come meccanismo di fusione primaria
• Esistono modi secondari in cui il sintering influisce:
• Se polvere è a T elevata → particelle di polvere inizieranno a sinterizzare
• Effetto di «part growth» → conseguenza del riscaldamento per conduzione delle particelle limitrofe alla zona fusa ↑ tempo e T ↑ spessore
Chemically induced binding
o Chemically induced sintering
• Reazioni chimiche attivate termicamente tra:
DUE TIPI DI POLVERI
formano sottoprodotto che legano le polveri insieme
POLVERI + GAS ATMOSFERICI
• Meccanismo utilizzato principalmente per i materiali ceramici:
• miscele ceramiche ad alta temperatura e/o materiali precursori
intermetallici possono reagire utilizzando un laser
Es.
• particelle di SiC con esposizione laser in presenza di O2 → SiO2 e lega
insieme composito SiC/SiO2
• particelle di Al in presenza di N2 con esposizione laser
• Caratteristica comune è la porosità indotta → post-processing:
• infiltrazione (con o senza elementi reattivi)
• sinterizzazione in forno ad alta T
• Costi e tempi associati a post-processing hanno limitato adozione nelle
macchine commerciali
Liquid-phase sintering
• Meccanismo più versatile per PBF
• LPS si intende quando una porzione fonde e altre porzioni rimangono solide →costituenti fusi ≈ collante che lega le particelle solide insieme
• Particelle possono essere legate insieme senza dover fondere o sinterizzare direttamente
• Es. utensili di taglio in WC/Co dove Co utilizzato come binder
• Diversi scenari:
• Materiali non distinti
• parziale fusione dei componenti (es. leghe metalliche)
• Materiali distinti → Binder + Structural Materials combinati insieme in
diversi modi:
• Separate particles (smaller ↑packing, ↓ritiro/porosità)
• Composite particles
• Coated particles
Full melting
• Meccanismo più associato ai processi PBF di leghe metalliche e polimeri semicristallini.
• Funzionamento:
• Intera porzione di materiale soggetto all’energia termica viene fuso con spessore del layer
• Energia termica delle scansioni successive (accanto o sopra) è sufficiente per ri-fondere una parte della struttura precedentemente solidificata
• Crea strutture ben legate e ad alta densità per metalli e polimeri ingegneristici
• Macchine mLS attualmente in commercio sfruttano il Full Melting come meccanismo primario
SLM, DMLS e EBM
o Selective Laser Melting e Direct Metal Laser Sintering
• SLM e DMLS vengono utilizzati nella produzione di parti metalliche:
• SLM raggiunge il full melting della polvere (metalli puri e leghe, es. Al)
• DMLS riscalda la polvere a temperature vicine alla fusione fino a quando non si fondono chimicamente insieme -> solo con leghe (leghe di nichel, Ti64 ecc.)
• Richiedono strutture di supporto per compensare le sollecitazioni residue elevate
generate durante il processo → limita probabilità di deformazione e distorsione
• Utilizzano laser con lunghezze d’onda più idonee ad essere assorbite da polveri
metalliche (es. Nd-YAG o fiber laser
o Electron Beam Melting (EBM)
• Utilizza un fascio di elettroni piuttosto che un laser per indurre la fusione tra le particelle metalliche
• Fascio di elettroni focalizzato scansiona un sottile strato di polvere causando la fusione e la solidificazione localizzate su una specifica area trasversale
• Differenze con SLM e DLMS
o EBM induce meno sollecitazioni residue → minori distorsioni e minore necessità strutture di supporto
o EBM utilizza meno energia e può produrre strati ad una velocità più elevata di SLM e DMLS
o Dimensione minime, dimensione polveri, spessore layer e finitura superficiale sono in genere di qualità paragonabile
o EBM richiede parti prodotte nel vuoto e il processo può essere utilizzato solo con materiali conduttivi
3.Selective Laser Sintering (SLS)
o Limitazioni SLS
• Grandi superfici piane e piccoli fori non possono essere stampati con precisione (curling e oversintering)
• Finitura superficiale granulosa e porosità interna richiedono post-processing
• Disponibili principalmente sistemi SLS industriali
o Vantaggi SLS
• Capacità produttive eccellenti per lotti di piccole e medie dimensioni
• SLS non richiede alcun supporto (geometrie complesse)
• Parti SLS hanno buone proprietà meccaniche isotropiche, ideali per parti funzionali e prototipi.
o Oversintering
• Formazione di skin (sinterizzazione stato solido) che comporta perdita di dettagli e precisione (slot, fori)
o Ritiro e deformazioni:
• Ottimizzazione orientazione è fondamentale (supporti secondari assenti)
• 3-3.5% di ritiro da tener conto in fase set-up macchina (dimensioni)
• Soggette a curling: stress residui in raffreddamento tirano verso l'alto lo strato sottostante
o Adesione Layer
• Porosità SLS → caratteristica finitura di superficie granulosa (possono assorbire acqua, richiedono post-processing)
• Eccellente resistenza a trazione e modulo (≈ bulk) ma meno duttili (allungamento a rottura ridotto) → porosità interna (~30%)
• Adesione tra gli strati è eccellente. Parti stampate SLS hanno proprietà meccaniche quasi isotropiche
o Macchine
• Campo alimentare: polvere di zucchero e aria calda come sorgente termica
• Possono processare sistemi indiretti: polveri ceramiche o metalliche con binder (es. sabbie pre-rivestite fonderia)
• Sistemi pLS con laser CO2 e atmosfera di azoto (0.1-3% ossigeno) non possono processare direttamente metalli o ceramici
• SLS produce principalmente parti in polimero
• Utilizzando laser per sinterizzare sottili strati di polvere
• Processo SLS:
I. Cilindro di contenimento e piattaforma riscaldati (T<Tm) e lama o rullo deposita strato di polvere sulla piattaforma
II. Laser CO2 scansiona area del singolo layer (point by point) le particelle sinterizzano
III. Layer completo, piattaforma si sposta verso il basso e lama/rullo ricopre la superficie
• Parti vengono lasciate raffreddare (fino a 12 ore), poi estratte e pulite
• Polvere non sinterizzata rimanente può essere riutilizzata
o Parametri
• Parametri di processo sono preimpostati dal produttore. Altezza livello è 100-120 micron
• Non necessarie strutture di supporto secondarie → geometrie a forma libera impossibili con altri metodi
• Sfruttare l'intero volume di build (volume cilindro, fase di re-coating determinano tempo di elaborazione)