Due scoperte fanno avanzare la ricerca sulla produzione additiva di base e applicata

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Credito: Pixabay/CC0 Dominio pubblico

Un team di ricerca guidato da Tao Sun, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università della Virginia, ha fatto due scoperte che possono espandere la produzione additiva nel settore aerospaziale e in altri settori che si basano su parti metalliche resistenti.

La produzione additiva ha contribuito alla produzione di aeromobili per anni, come riportato dall’Association for Manufacturing Technology. Tuttavia, la produzione additiva genera anche difetti nella microstruttura di una parte finita, limitando il suo ruolo alla fabbricazione di condutture, componenti interni e altre parti non critiche. La produzione additiva di parti regolamentate dalla sicurezza aiuterà l’industria a raggiungere le sue aspirazioni per una gestione efficiente e stabile della catena di approvvigionamento, nonché risparmi di carburante e riduzioni delle emissioni che accompagnano un aereo più leggero.

Il team e i collaboratori di Sun hanno scoperto perché si verificano difetti strutturali durante la produzione additiva di parti realizzate con una lega di titanio leggera e ad alta resistenza ampiamente utilizzata nelle applicazioni aerospaziali. Presentano una mappa del processo, il progetto utilizzato dalla macchina per creare una parte, che aiuta i produttori a evitare di generare difetti durante una comune tecnica di produzione additiva chiamata fusione a letto di polvere laser.

L’articolo del team, Critical Instability at Moving Keyhole Tip genera porosità nella fusione laser, è pubblicato nel numero del 27 novembre di Scienza. Cang Zhao, che era un post-doc nel gruppo di ricerca di Sun presso l’Argonne National Laboratory e ora membro di facoltà presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università Tsinghua di Pechino, è stato il primo autore del documento con i colleghi dell’Argonne, della Carnegie Mellon University, dell’Università dell’Utah e dell’UVA. Il secondo autore, Niranjan D. Parab, era anche uno dei post-doc dell’Argonne National Laboratory di Sun, che da allora è entrato a far parte di Intel.

Il team di ricerca si è concentrato sulle due condizioni più importanti del processo di produzione additiva, la potenza del laser e la velocità di scansione. Il modo in cui queste due condizioni vengono impostate e interagiscono viene catturato in una mappa del processo potenza-velocità. Simile a una mappa convenzionale, la mappa potenza-velocità imposta le linee di confine tra le aree in cui lavorare e le aree da evitare.

La mappa potenza-velocità può essere suddivisa in una zona buona e tre zone cattive. Se il produttore rimane nella buona zona, la build probabilmente produrrà una parte di alta qualità su base costante. Due delle zone difettose sono facili da riconoscere. Uno è rappresentato da una mancanza di fusione, evidenziata dalla polvere non fusa a causa della scarsa densità di potenza del laser. Una seconda zona difettosa è rappresentata dal balling, quando una singola linea stampata si arrotola su se stessa, segnalando che il laser si sta muovendo troppo velocemente.

Sun e la squadra si concentrano sulla zona quattro. In questa zona, le parti escono dal processo di costruzione con piccoli fori, un difetto strutturale chiamato porosità. Questi piccoli fori appaiono all’interno del materiale, rendendolo difficile da vedere e controllare. “Potresti stampare più linee di prova e ancora non sapresti esaminando la superficie della parte se si verifica porosità al di sotto”, ha detto Sun.

I difetti di porosità rimangono una sfida per le applicazioni sensibili alla fatica, come le ali degli aerei. Una certa porosità è associata a depressioni di vapore profonde e strette chiamate fori della serratura, che si verificano in condizioni di fusione laser ad alta potenza e bassa velocità di scansione.

Sun e il team hanno scoperto come si verifica la porosità e sono stati in grado di caratterizzare la trasformazione dei materiali durante il processo di stampa 3D con risoluzioni spaziali e temporali molto elevate. Hanno usato una tecnica di imaging, chiamata imaging a raggi X di sincrotrone ad alta velocità, che monitora la formazione dei pori fotogramma per fotogramma durante il processo di stampa laser. Le immagini vengono catturate a intervalli di microsecondi, ben oltre ciò che l’occhio umano può catturare o che il cervello umano può elaborare.

L’imaging a raggi X di sincrotrone ad alta velocità è l’unico metodo disponibile per misurare e descrivere qualitativamente cosa succede quando il raggio laser è esposto al letto di polvere metallica. Oltre a fondere la polvere, il laser vaporizza anche del metallo. Il vapore ad alta velocità che fuoriesce dalla superficie del bagno di fusione crea una piccola cavità chiamata buco della serratura.

La formazione e le dimensioni del buco della serratura sono una funzione della potenza del laser e della capacità dei materiali di assorbire l’energia del laser. Se le pareti del buco della serratura sono stabili, migliora l’assorbimento del laser del materiale circostante e migliora l’efficienza di produzione del laser. Se, invece, le pareti sono traballanti o crollano, il materiale si solidifica attorno al buco della serratura, intrappolando la sacca d’aria all’interno dello strato di materiale appena formato. Ciò rende il materiale più fragile e più soggetto a crepe sotto stress ambientale.

Sun ha descritto il confine tra la zona buona e la zona di porosità cattiva come liscia e nitida. “Una condizione laser molto stretta, le combinazioni specifiche di potenza e velocità, separa una parte buona e una parte con i pori. Basta attraversare la linea tra le zone buone e quelle cattive per determinare se la tua parte porta questo difetto strutturale”, ha detto Sun. Basandosi sulla fisica di un confine così liscio e netto, Sun sapeva che era in gioco un sottoprocesso.

Il team alla fine ha scoperto che l’interazione laser-metallo genera onde acustiche.

Sun spiega che un’onda acustica può interagire con una bolla di gas in un liquido in modi diversi. Spinta dalla forza acustica, una bolla può muoversi, deformarsi, dividersi e persino collassare. In questo studio, il team ha scoperto che in condizioni laser vicino al confine della zona di porosità, la forza acustica svolge un ruolo fondamentale nell’allontanare il poro dalla punta del buco della serratura. Senza la generazione di onde acustiche nel bagno di fusione, il poro verrà riportato al buco della serratura.

“Questo è piuttosto sorprendente”, ha detto Sun. “Si credeva che i laser a impulso breve fossero la fonte per la generazione di onde acustiche nel liquido, ma abbiamo osservato effetti acustici durante l’utilizzo di laser a onda continua. Apparentemente, ci sono ancora molti problemi intriganti che richiedono ulteriori ricerche”.

Le due scoperte descritte nel Scienza la carta ha un impatto immediato sulla produzione additiva laser di metalli sia sul fronte della ricerca di base che su quella applicata. Il confine ben definito della zona di porosità nella mappa potenza-velocità offre maggiore sicurezza ai professionisti della fusione a letto di polvere laser nell’identificare buone condizioni di stampa. Nel frattempo, le nuove osservazioni offerte dall’imaging a raggi X di sincrotrone aprono entusiasmanti aree di ricerca multidisciplinare che attireranno più scienziati per eseguire studi fondamentali sulla produzione additiva laser.

Il team di ricerca di Sun presso UVA continuerà ad applicare tecniche di caratterizzazione all’avanguardia per studi approfonditi sui processi e sui materiali di produzione additiva. Le tecnologie di produzione additiva mantengono la promessa di rivoluzionare completamente il modo in cui produciamo le cose.

“La produzione additiva può raggiungere il suo pieno potenziale solo dopo che la comunità di ricerca ha messo insieme tutta la bella fisica che governa le complesse interazioni energia-materia coinvolte nel processo di stampa”, ha affermato Sun.


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