Reimmaginare la stampa 3D con un'innovativa strategia di esposizione

28 giugno 2022 | Tempo di lettura: 7 min

In EOS esploriamo sempre nuove tecnologie e metodi per migliorare il processo di stampa 3D. Il nostro team ha sviluppato una nuova ed entusiasmante strategia per l'esposizione laser che consente di ottenere una migliore qualità di produzione e una riduzione del dispendio energetico.

Una nuova strategia per l'esposizione al laser

In EOS esploriamo sempre nuove tecnologie e metodi per migliorare il processo di stampa 3D. Il nostro team ha sviluppato una nuova ed entusiasmante strategia per l'esposizione laser che consente di ottenere una migliore qualità di produzione e una riduzione del dispendio energetico.

Perché la garanzia di qualità è un problema così importante?

Un vantaggio fondamentale della stampa 3D rispetto ai metodi di produzione tradizionali è la sua efficienza. Ma, come per ogni tecnologia relativamente nuova, ci sono ancora molte opportunità di avanzamento. In EOS siamo sempre al lavoro per perfezionare e migliorare il processo di produzione additiva (AM). Nei nostri continui sforzi per far progredire la tecnologia e le tecniche di stampa 3D, abbiamo sviluppato un nuovo metodo di strategia di esposizione che produce risultati eccellenti rispetto alle pratiche precedentemente considerate migliori.

In questo articolo vi illustreremo il processo comunemente utilizzato della stampa laser 3D, le sfide che presenta e i risultati della nostra ricerca per affrontare questi problemi, culminata nella nuova metodologia: Laser Center Depending exposure Strategy (LCDS). Continuate a leggere per scoprire come un aggiustamento apparentemente incrementale possa portare a cambiamenti significativi per la produzione additiva.

Come funziona la stampa 3D LPBF

Il principio della fabbricazione additiva è caratterizzato da una struttura a strati. La costruzione inizia con un modello generato in 3D (CAD), che viene tagliato in molti strati sottili e inviato alla macchina AM (la stampante 3D). Nella stampante, un sottile strato di polvere di materiale viene applicato alla piattaforma di costruzione e un potente raggio laser fonde la polvere in punti specifici dettati dai dati di progettazione generati dal computer (il modello CAD). La piattaforma di costruzione viene quindi abbassata a un'altezza specifica del lavoro e viene applicato un altro strato di polvere alla piattaforma di costruzione. Il nuovo strato di materiale viene nuovamente fuso, collegandolo con lo strato sottostante. Queste fasi vengono ripetute fino alla realizzazione del pezzo finale.

I laser altamente precisi utilizzati nella stampante si muovono sul letto di polvere secondo uno schema prestabilito, sparando solo nei momenti necessari per formare l'oggetto progettato digitalmente. Quando viene aggiunto un sottile strato di polvere perfettamente uniforme, i laser ripetono lo stesso schema di movimento sopra il letto.

Un team di ingegneri dei processi metallici di EOS ha condotto una serie di esperimenti per stabilire un modo alternativo di programmare l'allocazione e il movimento del laser, che aumenta la precisione e la qualità della costruzione. Prima di esplorare questo nuovo metodo, tuttavia, è importante capire come funzionano attualmente i laser per la produzione additiva.

La strategia attuale: DMLS

La tecnologia DLMS - nota anche come Selective Laser Melting (SLM), Laser Powder Bed Fusion (LPBF) o Laser Metal Fusion (LMF) - utilizza un modello di spostamento coerente per i laser di stampa 3D. Questo schema è noto come strategia di esposizione. Si muove da un'estremità del letto di polvere all'altra (nota come direzione della striscia), serpeggiando a sinistra e a destra in una successione alternata di passaggi sulla piattaforma di costruzione (questi sono i vettori di scansione). I laser sparano a ogni passaggio, indipendentemente dalla direzione, con l'obiettivo della tempestività e dell'efficienza.

Come in una stampante convenzionale su carta, i laser non hanno bisogno di tornare a un lato della piattaforma di costruzione - il "margine", come verrebbe considerato sulla carta - prima di completare un altro vettore di scansione. Ciò consente di risparmiare tempo nel processo di stampa, ma presenta anche alcuni problemi potenziali.

Formazione di schizzi

Quando i laser colpiscono il letto di polvere, sinterizzano il materiale per formare un oggetto solido. Tuttavia, a causa dell'elevata energia in ingresso e del movimento del laser, alcune particelle di polvere vengono deviate dal punto di impatto. Queste particelle sono note anche come spruzzi. Come i granelli di sabbia vengono spinti via dal punto in cui atterra una palla, queste particelle viaggiano in qualsiasi direzione dettata dall'angolo di impatto.

Durante il processo di esposizione, i laser si muovono in più direzioni e con diverse angolazioni rispetto al letto di polvere. A seconda della direzione del movimento del laser, viene espulsa/deflessa una quantità diversa di spruzzi dalla posizione del processo. Il risultato è che le particelle di polvere vengono deviate in direzioni diverse, causando un accumulo irregolare di polvere in posizioni casuali.

Difetti negli strati

L'uso di vettori di scansione alternati significa che gli schizzi possono cadere ovunque sulla piattaforma di costruzione, comprese le aree ancora da sinterizzare. Ciò significa che la superficie perfettamente uniforme del letto di polvere è stata compromessa e le aree successivamente colpite dai laser saranno potenzialmente irregolari. Anche la quantità di spruzzi è importante, perché una maggiore quantità di spruzzi significa meno materiale rimasto per formare la superficie solida prevista.

Il risultato è costituito da piccole imperfezioni in ogni strato, dove in alcuni punti della sinterizzazione era presente troppa o troppo poca polvere. Ciò comporta che lo strato successivo di polvere non sia uniforme, in quanto deve "riempire gli spazi vuoti" in cui lo strato precedente non si è formato in modo omogeneo, con il risultato di punti in cui uno strato non è correttamente collegato a quello precedente. Questo crea difetti e debolezze nel prodotto finale.

La soluzione: Strategia di esposizione in funzione del centro laser (LCDS)

Attraverso un'ampia sperimentazione, il nostro team ha stabilito che l'uso di vettori di scansione e strisce alternate non è la strategia più efficace per la sinterizzazione laser. Il team ha isolato piccole aree trasversali della piattaforma di costruzione e ha testato diverse combinazioni di direzioni di strisce e vettori di scansione unidirezionali per ciascun centro laser (il posizionamento del laser sopra la piattaforma). Alcune combinazioni specifiche hanno prodotto risultati di qualità superiore rispetto ad altre, ma hanno permesso al team di identificare quelle ottimali per il centro laser corrispondente.

Il team ha concluso che l'utilizzo di modelli di esposizione in cui le strisce e i vettori di scansione unidirezionali sono allineati in modo specifico con il centro laser appropriato porta a una riduzione delle imperfezioni e a un aumento dell'omogeneità dei pezzi sulla piattaforma di costruzione. La posizione del centro laser è proposta come criterio guida, motivo per cui la strategia è chiamata "Laser Center Depending Exposure Strategy" (LCDS).

Ciò è particolarmente importante quando si vogliono creare parti di precisione, come quelle necessarie per l'ingegneria aeronautica, dove le più piccole imperfezioni possono avere gravi conseguenze. È interessante notare che abbiamo iniziato a incorporare alcuni aspetti delle nostre scoperte LCDS nel nostro software di stampa 3D per iniziare a portare questi vantaggi qualitativi agli utenti. Con il tempo, intendiamo implementare maggiormente questo nuovo metodo nei nostri prodotti.