Le caratteristiche delle polveri metalliche utilizzate in additive manufacturing (AM) determinano le proprietà del componente finale. La qualità della polvere è fortemente influenzata dalla sua sfericità, dalla presenza di satelliti (piccole particelle attaccate sulla superficie di particelle più grandi) e dalla distribuzione granulometrica.
Particelle sferiche, con una superficie liscia, hanno un impacchettamento migliore e permettono di ottenere strati più densi e omogenei rispetto a polveri di forma irregolare. La caratterizzazione della morfologia della polvere risulta pertanto fondamentale sia per il controllo della materia prima che per riutilizzo in ulteriori cicli delle polveri non fuse. Il controllo morfologico delle polveri metalliche permette quindi di migliorare l’efficienza del processo di additive manufacturing e di ottenere componenti finali di qualità superiore.
Abbiamo caratterizzato con l’analizzatore automatizzato d’immagine (Morphologi 4 della Malvern Panalytical) una polvere metallica prima dell’utilizzo e dopo diversi cicli di additive manufacturing per valutare come il processo AM modifichi la morfologia e la granulometria delle particelle. In Figura 1 viene riportata la classificazione morfologica delle particelle.
Figura 1. Classificazione morfologica delle particelle del campione di polvere metallica non processato (rosso), dopo 18 cicli (verde) e dopo 24 cicli di AM (blu)
Per la classificazione sono stati utilizzati tre parametri morfologici forniti dal Morphologi 4: Circolarità, Elongazione e Convessità. Al variare dei valori assunti da questi parametri cambia la morfologia delle particelle: Circolarità ed Elongazione permettono di distinguere particelle con forma sferica da particelle più allungate (i valori variano da 0 a 1 per entrambi i parametri. Particelle aghiformi hanno elongazione pari a 1 e circolarità pari a 0, particelle sferiche hanno elongazione pari a 0 e circolarità pari a 1). La convessità, infine, è associata al contorno della particella ed è definita come il rapporto tra il perimetro di un elastico immaginario che circonda la particella e il perimetro della particella stessa (i valori variano da 0 a 1). Particelle lisce avranno convessità vicina a 1, mentre particelle di forma irregolare, come agglomerati, particelle con la superficie rugosa o con presenza di satelliti avranno valori di convessità inferiori.
A destra del grafico sono riportate immagini rappresentative delle particelle contenute in ciascuna classe. Dalla classificazione risulta evidente l’aumento (% in numero) di particelle meno sferiche, con più satelliti e/o aggregate all’aumentare del numero di cicli di utilizzo rispetto al campione iniziale.
Il cambiamento morfologico, come atteso, è accompagnato da un aumento della granulometria per i campioni con più satelliti e aggregati, come evidenziato in Figura 2 dall’analisi granulometrica con diffrazione laser (Mastersizer 3000 della Malvern Panalytical).
Figura 2. Distribuzione granulometrica in volume delle particelle del campione di polvere metallica non processato (rosso), dopo 18 cicli (verde) e dopo 24 cicli di AM (blu)
In Figura 3 sono mostrate le immagini ottenute con microscopio elettronico a scansione (desktop SEM Phenom della Thermo Fisher Scientific) di alcune particelle contenute nei tre campioni che confermano i cambiamenti di forma riscontrati nell’analisi al Morphologi.
Figura 3. Immagini SEM delle particelle di polvere metallica prima e dopo processo AM.
