Smart Fusion - Controllo a loop di feedback
per microstrutture omogenee
24 marzo 2025 | Tempo di lettura: 7 min | Autore: Tobias Novotny, Narges Mirzabeigi, Dominik Kunz, Ulrich Kleinhans
Il surriscaldamento è una sfida importante nella fusione laser a letto di polvere di metalli (PBF-LB/M), che influisce sulla costruibilità di elementi complessi e sporgenze piane, sulla qualità delle superfici di abbassamento e sulle proprietà dei materiali dei pezzi finiti. In passato abbiamo dimostrato come Smart Fusion, il nostro sistema di controllo ad anello di retroazione, può ridurre la necessità di strutture di supporto, questo articolo si propone di illustrare il suo effetto sulla storia termica e sulla formazione di microstrutture. In collaborazione con l'Istituto di Tecnologie Fotoniche (LPT), abbiamo confrontato i processi standard ad anello aperto con quelli ad anello chiuso di Smart Fusion in geometrie che provocano un accumulo di calore. Abbiamo scoperto che Smart Fusion migliora significativamente l'omogeneità delle microstrutture e la durezza, garantendo una firma termica coerente per tutta la durata della costruzione.
Nozioni di base sul surriscaldamento e sulla Smart Fusion
Nel PBF-LB/M, il laser eroga ripetutamente energia nella parte ad ogni strato. Se l'energia non può essere trasferita in modo sufficiente dalla zona di processo, il calore si accumulerà durante la costruzione e alla fine porterà al surriscaldamento. Gli ingegneri delle applicazioni AM conoscono bene i rischi del surriscaldamento e hanno sempre avuto a disposizione opzioni per mitigarne gli effetti.
Gli approcci comuni per affrontare il surriscaldamento includono:
- Aggiunta di tempi di attesa, ad esempio tempi minimi di strato o vettoriali per un maggiore tempo di raffreddamento
- utilizzo di un maggior numero di strutture di supporto per una migliore conduzione del calore nella piastra di costruzione
- ridurre l'apporto energetico del processo, ad esempio riducendo la potenza del laser
Tuttavia, i tempi di attesa e l'aumento del volume di supporto comportano tempi di costruzione più lunghi e costi dei pezzi più elevati, mentre un parametro con un apporto energetico ridotto può compromettere la densità dei pezzi. È necessaria una soluzione diversa.
La Figura 1 mostra alcuni esempi di lavori di costruzione con caratteristiche geometriche comuni soggette a surriscaldamento e la corrispondente firma termica con e senza Smart Fusion.
Nelle geometrie complesse, come la staffa AlSi10Mg, l'accumulo di calore si verifica nei punti in cui le sporgenze o i piccoli elementi limitano il flusso di calore. Per ottenere condizioni stabili, è necessario ridurre la potenza del laser in queste regioni.
Nei lavori di costruzione con aree di esposizione ridotte e quindi tempi di stratificazione brevi, come nel caso dell'inserto per utensili MS1, il calore si accumula tipicamente da strato a strato. Ciò comporta un aumento della temperatura superficiale del pezzo fino al raggiungimento di un equilibrio. Pertanto, è necessaria una riduzione graduale dell'apporto di energia per tutta l'altezza di costruzione.
Idealmente, l'apporto di energia dovrebbe essere regolato dinamicamente in base alla geometria del pezzo e al carico del lavoro di costruzione (ad esempio, il tempo di stratificazione). Ciò deve avvenire in modo tale che le condizioni termiche del pezzo rimangano stabili.
Una possibile soluzione consiste nel misurare le firme termiche durante il lavoro di costruzione e nell'utilizzare un controllore per regolare localmente l'apporto di energia in base ai dati di misura acquisiti. Il nostro sistema di controllo ad anello chiuso, Smart Fusion, monitora i valori di grigio registrati dalla tomografia ottica (EOS Exposure OT), li confronta con un valore di grigio target specifico del materiale e del processo e regola di conseguenza la potenza del laser a livello di microvettore nello strato successivo.
La Figura 2 illustra il principio di funzionamento di Smart Fusion. La differenza di Smart Fusion è immediatamente visibile osservando l'aspetto del processo.
Il video seguente mostra l'esposizione di uno strato esemplare per una geometria difficile utilizzando Smart Fusion e un processo standard ad anello aperto per il confronto. La Figura 3 mostra questa geometria e le istantanee comparative dei due processi.
Per mostrare gli effetti del surriscaldamento in questo studio, è stata scelta una geometria di prova costituita da tre coni capovolti ("dimostratore di accumulo di calore"), già utilizzata in studi precedenti. In questo dimostratore, il calore si è accumulato rapidamente nei coni a causa dei sottili cilindri di collegamento che fungono da collo di bottiglia termico. Senza Smart Fusion , questo porta a superfici di pezzi caldi e incandescenti, visibili per un lungo periodo di tempo dopo l'esposizione del pezzo.
Sebbene i nostri parametri di processo standard siano resistenti al surriscaldamento, rappresentano il miglior compromesso di molti fattori e non sono quindi ideali per geometrie estreme o tempi di stratificazione eccessivamente brevi. L'utilizzo della firma di processo (cioè la GV media) che questi parametri di processo tipicamente producono come obiettivo per Smart Fusion garantisce risultati ideali, anche per pezzi molto complessi.
La storia termica e il suo effetto sulla microstruttura
I pezzi lavorati con PBF-LB/M sperimentano una storia termica unica, definita da tassi di raffreddamento estremamente rapidi nel bagno di fusione e dal riscaldamento ciclico del materiale precedentemente solidificato quando vengono esposti vettori di scansione adiacenti e strati successivi. Quando si verifica il surriscaldamento, sia le modifiche al raffreddamento iniziale che il successivo mantenimento a temperature elevate influenzano l'evoluzione della microstruttura.
La temperatura superficiale dello strato precedente solidificato del materiale determina la temperatura a cui lo strato attuale di materiale può raffreddarsi. Se queste temperature raggiungono livelli in cui si verificano cambiamenti di fase, come la temperatura di avvio della martensite (Ms) per gli acciai, la composizione delle fasi in fase di costruzione può essere significativamente influenzata. Se la trasformazione della martensite viene inizialmente soppressa o non può terminare completamente, si possono osservare livelli più elevati di austenite conservata, con conseguente riduzione della durezza.
L'indurimento per precipitazione in corso di lavorazione può verificarsi se le temperature elevate vengono mantenute in una regione di un pezzo per un tempo sufficientemente lungo. Pertanto, i tempi di stratificazione possono essere critici per la formazione di precipitati durante il processo e la precipitazione può cambiare a seconda delle condizioni attuali della costruzione. La precipitazione locale porta a una durezza disomogenea e potenzialmente a una maggiore fragilità.
A temperature elevate, le tipiche strutture di solidificazione che si formano nel PBF-LB/M, come la rete ricca di Si in AlSi10Mg, iniziano a coartare o addirittura a dissolversi. Ciò può ridurre in modo significativo la resistenza in opera (fino al 44% di perdita di durezza nei test).
Un forte accumulo di calore può portare a un rinvenimento del materiale già solidificato durante il processo. Nelle geometrie impegnative realizzate in Ti6Al4V, è stata osservata una martensite temperata, più grossolana e simile a una latrina, invece della tradizionale martensite aciculare.
Il riscaldamento ciclico degli strati successivi influisce anche sulla microstruttura, "temperando" il materiale già solidificato. Le differenze nello strato superiore rispetto al resto della costruzione sono spesso attribuite a questo effetto. Il surriscaldamento può influenzare il risultato del riscaldamento ciclico, poiché può essere necessario un raffreddamento tra gli strati per ottenere l'effetto di tempra.
In generale, condizioni termiche incoerenti durante il processo di costruzione possono portare a cambiamenti microstrutturali locali e a corrispondenti variazioni delle proprietà meccaniche. Tali variazioni possono causare deviazioni inaspettate nelle proprietà quando si confrontano i campioni di prova con i pezzi reali e richiedono ulteriori fasi di trattamento termico (ad esempio, trattamento in soluzione) per essere risolte.
Proprietà più omogenee in EOS MaragingSteel MS1 con Smart Fusion
Le microstrutture tipiche dei comuni materiali PBF-LB/M sono ormai note. A titolo di esempio, la Figura 6 evidenzia alcune caratteristiche della microstruttura "as-built" di EOS MaragingSteel MS1 (simile a 1.2709).
L'incisione rivela un modello di piscina fusa a scala di pesce con chiari confini della piscina fusa. Nelle immagini di dettaglio sono visibili gruppi di lamelle di martensite. L'MS1 è tipicamente martensitico allo stato grezzo con una piccola frazione volumetrica di austenite conservata. A maggiori ingrandimenti al SEM, le strutture di solidificazione cellulare e colonnare diventano visibili.
La Figura 7 confronta la microstruttura di un dimostratore di accumulo di calore con e senza Smart Fusion.
Quando Smart Fusion è abilitato, si osserva una risposta di etching coerente su tutto il campione. Al contrario, per il campione senza Smart Fusion, si osserva una regione di incisione scura al di sopra del collo di bottiglia termico, anziché la tradizionale risposta di incisione chiara. A un'analisi più attenta, si osserva una parziale decomposizione delle strutture di solidificazione cellulare. La durezza è risultata significativamente più elevata nella regione di incisione scura, raggiungendo livelli fino a 540 HV (oltre 100 HV in più rispetto al normale). Ciò indica che si verifica una significativa precipitazione in situ.
Per evitare il contatto della ricopertura con i bordi arricciati del pezzo surriscaldato senza Smart Fusion, in questo lavoro di costruzione è stato usato un tempo di esposizione minimo di 40 s. Con Smart Fusion abilitato, è stato possibile produrre il pezzo senza tempi di attesa. La Figura 8 mostra una micrografia e un confronto del profilo di durezza tra le diverse impostazioni.
Le micrografie dimostrano che, anche senza tempi minimi di stratificazione, il ciclo di feedback è in grado di controllare efficacemente le condizioni termiche e di produrre un pezzo altamente denso. Inoltre, è stata ottenuta una durezza eccezionalmente costante per tutta l'altezza di costruzione. La mancanza di tempi di attesa tra gli strati ha probabilmente impedito la formazione di precipitati, che possono verificarsi quando il materiale viene temperato dagli strati successivi.
Conclusione
Il surriscaldamento durante il processo PBF-LB/M comporta alterazioni significative delle microstrutture a seconda della geometria del pezzo e dei tempi di stratificazione. Smart Fusion garantisce un profilo termico coerente anche nelle condizioni più difficili. Riducendo l'apporto di energia solo dove necessario in modo dinamico, è possibile ottenere proprietà più omogenee senza alcuna perdita di produttività per MS1 e Ti6Al4V.
I nostri risultati mostrano che Smart Fusion è particolarmente importante per:
- Microstrutture più coerenti per pezzi complessi con flusso termico limitato
- Microstrutture più consistenti per carichi di lavoro ridotti con tempi di stratificazione minimi ridotti o assenti
- Trattamenti termici che mantengono in qualche misura la microstruttura di partenza (come l'invecchiamento diretto).
- Esplorazione di microstrutture e proprietà personalizzate
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Fonti e ulteriori letture:
Nahr F, Novotny T, Kunz D, Kleinhans U, Chechik L, Bartels D, Schmidt, M. Advanced process control in laser-based powder bed fusion–Smart Fusion feedback-loop control as a path to uniform properties for complex structures?. JMRT 2025;34:604-618. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.12.014.
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Yağmur, A, Pääkkönen, I, Miles, A. The Hitchhiker’s Guide to Smart Fusion. 2023. https://3d.eos.info/eguide-smart-fusion
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