Casi d'uso di diverse configurazioni di rigenerazione per la sinterizzazione laser Direct Metal (DMLS)

30 settembre 2021 | Tempo di lettura: 7 min

Quando si parla di diverse opzioni di rivestimento delle lame, nella comunità dell'Additive Manufacturing (AM) si è sempre discusso se utilizzare una soluzione di rivestimento morbida o dura. In questa sede, vorrei fornire una panoramica dei diversi casi d'uso e dei vantaggi e svantaggi del rivestimento morbido e duro. 

Recupero duro

L'opzione standard per i sistemi EOS è la ricopertura rigida, per i suoi vantaggi in termini di qualità e ripetibilità del pezzo. La lama rigida assicura uno spessore costante dello strato e può rimuovere dalla superficie del pezzo gli spruzzi che sono stati espulsi dal bagno di fusione durante l'esposizione e che costituirebbero un fattore di rischio elevato per la mancanza di fusione negli strati successivi. Grazie alla sua forma e alla sua rigidità, la lama dura compatta la polvere durante la ricopertura, garantendo un letto di polvere a densità più elevata. Tutti i parametri di processo standard di EOS sono stati sviluppati con lame di ricopertura dure, perché sono molto sensibili ai parametri di processo inadeguati. In questo modo, la finestra di processo può essere facilmente ristretta a parametri di processo robusti, che garantiscono un processo stabile.

I rivestimenti duri presentano una resistenza all'usura superiore rispetto ai rivestimenti morbidi, il che assicura proprietà di rivestimento costanti anche per lavori di lunga durata. In questo modo le proprietà del pezzo sono più costanti. Anche se i rivestimenti duri sono in genere più costosi di quelli morbidi, l'analisi dei costi deve tener conto anche della maggiore durata e della minore manutenzione richiesta.

I settori altamente regolamentati hanno espresso riserve nei confronti dei rivestimenti morbidi in polimero, perché l'usura potrebbe causare la contaminazione della polvere e la formazione di inclusioni. Ad esempio, l'industria aerospaziale cerca in particolare di evitare inclusioni di silicio nelle applicazioni dei motori. Tuttavia, questo non è un criterio generale di esclusione.

Le applicazioni tipiche che beneficiano dei vantaggi dei rivestimenti duri sono i pezzi con elevate esigenze di qualità ripetibile in termini di proprietà meccaniche o precisione dimensionale, nonché i pezzi voluminosi, per i quali un rivestimento morbido si consumerebbe troppo rapidamente per lavori di lunga durata.

Una delle sfide principali della ricopertura dura è la sua rigidità. Se il pezzo entra in contatto con la ricopertura, il rischio di interruzione del lavoro è elevato, mentre una ricopertura morbida si adatterebbe alla deformazione del pezzo. Il contatto tra pezzo e torre di ricopertura si verifica, ad esempio, a causa di un cedimento del supporto dovuto a tensioni residue o al surriscaldamento causato da parametri di processo inadeguati.

Tuttavia, per i pezzi di alta qualità o per la produzione in serie, questo svantaggio può essere visto anche come un vantaggio. Anche se il lavoro di costruzione terminasse con un rivestimento morbido, il danno o l'imperfezione sarebbero comunque presenti alla fine e renderebbero necessaria la rottamazione del pezzo. C'è il rischio che il danno venga rilevato solo a valle, dopo il trattamento termico o altre fasi di post-lavorazione, causando così costi ancora più elevati. Nel peggiore dei casi, se il difetto non viene rilevato affatto, potrebbe causare un malfunzionamento durante il funzionamento. Anche se il lavoro si blocca con una ricopertura rigida, l'ingegnere AM riceve un feedback diretto sul fatto che qualcosa nella progettazione, nei supporti o nei parametri di processo è sbagliato e che il pezzo deve passare all'iterazione successiva.

Un ulteriore svantaggio è che tutte le forze di attrito durante la ricopertura vengono trasmesse al pezzo, a causa della rigidità della lama. Questo fatto limita la costruibilità quando si tratta di rapporti di aspetto elevati. Durante la ricopertura, le forze di attrito possono piegare il pezzo o causare vibrazioni che disturbano il letto di polvere. Questo problema può essere parzialmente mitigato da parametri di processo adattati, che tengano conto della situazione termica del pezzo, ma può comunque essere un fattore limitante per progetti alti e sottili.

Gli oggetti fini, come le strutture reticolari per le applicazioni mediche, dimostrano tuttavia che i pezzi fragili possono essere costruiti abbastanza facilmente con una vernice hard recoater, adattando i parametri di processo. Le coppe per l'anca sono un buon esempio di pezzi con strutture fini ma con requisiti di qualità elevati, per i quali un hard recoater può dimostrare i suoi vantaggi.

Per le macchine EOS sono disponibili due diversi tipi di rivestimenti duri: HSS (acciaio ad alta velocità) e ceramica. A seconda del materiale utilizzato, è necessario scegliere la configurazione del rivestimento. Per la maggior parte dei materiali, si utilizza la lama in HSS, perché anche se è temprata, la lama mostra ancora una certa duttilità. Pertanto, il rischio di rottura degli intagli dopo il contatto con il pezzo è inferiore a quello che si corre con il rivestimento ceramico. Tuttavia, in caso di intaccature dopo un lavoro approssimativo, ad esempio a causa di un cedimento del supporto, la lama non deve essere sostituita ma può essere rettificata con cura.

Se il materiale è magnetizzabile, è necessario scegliere una lama di rivestimento di tipo ceramico. In caso contrario, la polvere si attaccherebbe alla lama e causerebbe striature durante la ricopertura. Tali materiali nel portafoglio EOS sono acciai come CX, PH1, 17-4PH o MS1. A differenza della lama in HSS, i potenziali intagli non possono essere molati a causa delle caratteristiche di fragilità della ceramica. Tuttavia, il materiale è estremamente resistente all'usura.

Ricopritori morbidi

Il principale vantaggio delle opzioni di rigenerazione morbida è la riduzione delle forze di rigenerazione sul pezzo durante la rigenerazione. Poiché il recoater è più flessibile, può cedere se le forze di attrito diventano troppo elevate o può adattarsi in qualche misura al profilo di un pezzo se questo è deformato e si attacca al letto di polvere. Ciò si traduce in due casi d'uso principali che presentano i vantaggi dei rivestimenti morbidi:

1. la possibilità di costruire più facilmente parti ad alto rapporto d'aspetto e elementi fragili 
2. la minore probabilità di interruzione del lavoro a causa di inceppamenti della ribobinatrice. Soprattutto nella prototipazione, i risultati a breve termine sono spesso più importanti della garanzia di qualità dei pezzi. Per questo motivo, molti fornitori di servizi ricorrono a rivestimenti morbidi per rispettare i tempi di consegna più stretti. Inoltre, ogni lavoro inceppato aumenterebbe i costi di produzione.

I principali svantaggi dei rivestimenti morbidi sono già stati brevemente menzionati in precedenza nel confronto con i rivestimenti duri. L'aumento dell'usura del recoater può influire sulle proprietà del pezzo durante i lavori di costruzione di lunga durata, poiché non è possibile garantire un comportamento di ricopertura costante per tutta l'altezza di costruzione. Inoltre, in caso di deformazione del pezzo, ad esempio a causa di un fissaggio insufficiente alla piastra di costruzione, il lavoro continua ma il pezzo ha un'alta probabilità di essere fuori specifica per quanto riguarda l'accuratezza dimensionale. Pertanto, un lavoro completato con successo non significa necessariamente un pezzo conforme alle specifiche.

Tuttavia, il soft recoater è uno strumento utile e la sua necessità è determinata dall'applicazione. Può diventare la soluzione più economica per alcune applicazioni che presentano caratteristiche come quelle sopra citate: Alto rapporto d'aspetto, elementi fragili o necessità di risultati a breve termine.

EOS offre tre diverse opzioni di rivestimenti morbidi. Il riverniciatore a spazzola in fibra di carbonio, già disponibile da molti anni, e due tipi di riverniciatori polimerici sopra citati, per il EOS M 290: Silicone e gomma nitrile butadiene (NBR).

Il rigeneratore a spazzole è dotato di un insieme di fibre di carbonio corte, montate in un supporto. Rispetto alle lame in polimero presenta piccoli vantaggi, ma è più costoso. In caso di contatto con il pezzo, la probabilità che il riarrotolatore venga danneggiato in modo permanente è leggermente inferiore rispetto all'opzione polimerica, perché le fibre possono piegarsi lateralmente in una certa misura. Inoltre, l'effetto delle forze di attrito è più localizzato perché il pezzo interagisce solo con una certa quantità di fibre, il che lo rende superiore per la costruzione di pezzi fragili. 

I due tipi di rivestimenti polimerici per EOS M 290, sono disponibili anche per i sistemi a telaio grande EOS M 400 e EOS M 400-4. Il modo più semplice per distinguerli è il colore: la lama di silicone è trasparente e quella di NBR è nera, ma ci sono anche differenze in termini di proprietà e casi d'uso. Il materiale di rivestimento NBR è indicato per l'uso fino a 80 °C, mentre il materiale siliconico è adatto per lavori di costruzione a temperature più elevate.

Per mostrare le capacità delle nuove opzioni di rivestimenti morbidi in polimero, abbiamo costruito alcune parti ad alto rapporto d'aspetto con sopra le lettere di EOS M 290 per aumentare ulteriormente la sfida. Materialise Magics è stato utilizzato per creare i supporti degli alberi, che hanno un rapporto di aspetto massimo di 66 (2,5 mm di diametro con un'altezza di 165 mm). La scritta EOS M 290 in cima è stata progettata con l'aiuto del software Materialise 3-matic e consiste in un reticolo basato su mesh con grafici di volume all'interno. Inoltre, il supporto fine per il logo EOS è stato creato con Materialise e-Stage, che consente la generazione completamente automatica del supporto e può aiutare a risparmiare il materiale necessario per il supporto e a ridurre significativamente il tempo di preparazione dei dati. Il tutto è stato poi stampato su EOS M 290 con EOS Aluminum AlSi10Mg e il nuovo processo AlSi10Mg 60 µm Core.

Conclusioni

Esiste un caso d'uso appropriato per ogni tipo di rigeneratore. Per EOS, il rigeneratore duro è considerato l'opzione standard per i pezzi con i requisiti più elevati in termini di qualità ripetibile, mentre il rigeneratore morbido consente di realizzare pezzi con rapporti d'aspetto elevati. Inoltre, un rigeneratore morbido è preferibile quando i tempi di consegna sono più importanti del rischio di imperfezioni. EOS offre rivestimenti sia duri che morbidi, in modo che possiate scegliere facilmente quello più adatto alla vostra applicazione.