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17 Settembre 2020

Additive Manufacturing: il controllo delle polveri metalliche

L’importanza di caratterizzare le polveri metalliche

Le proprietà fisiche delle polveri metalliche influenzano la loro capacità di essere processate nelle macchine per Additive manufacturing e condizionano notevolmente la qualità del prodotto finale. Una scarsa qualità della polvere metallica può produrre difetti nel componente finale come pori, inclusioni, tensioni residue, cricche e rugosità superficiali. Inoltre, una polvere di scarsa qualità pregiudica il processo compromettendo l'uniformità e la scorrevolezza del letto di polvere. Esiste una correlazione diretta tra le proprietà fisiche della polvere da un lato e le prestazioni del processo e le proprietà dei componenti finali dall’altro. La caratterizzazione delle polveri permette, quindi, di ottimizzare il processo e migliorare il prodotto finito.

La caratterizzazione delle polveri metalliche è importante in diverse fasi del processo:

  • Produzione di polveri per Additive manufacturing: controllo qualità delle polveri prodotte con differenti tecnologie
  • Scelta delle polveri più performanti: definizione delle caratteristiche fisiche ideali delle polveri in funzione dell'ambito applicativo
  • Materia prima in ingresso: controllo delle specifiche dichiarate dal produttore e monitoraggio della costanza delle forniture
  • Riutilizzo delle polveri di scarto: caratterizzazione delle polveri dopo processo per poterle riutilizzare al massimo, abbassando i costi di produzione.

Proprietà fisiche delle polveri metalliche per Additive manufacturing

Oltre la composizione chimica delle polveri, fondamentale per la qualità del componente finale, le caratteristiche fisiche della polvere ne determinano le prestazioni: queste caratteristiche includono sia le proprietà del lotto che le proprietà delle singole particelle. Le proprietà fondamentali delle polveri sono la capacità di scorrere e di compattarsi al meglio in modo da consentire dosaggi e stratificazioni coerenti. Queste proprietà sono direttamente, sebbene non esclusivamente, influenzate dalla dimensione e dalla forma delle particelle, oltre che dalla rugosità superficiale e carica elettrostatica. Scorrevolezza, densità di compattazione, distribuzione granulometrica e forma delle particelle possono essere valutate in modo rapido ed efficace tramite test di reologia delle polveri, densità, diffrazione laser e analisi di immagine.

Figura 1. Immagini SEM delle particelle di due polveri metalliche

Dimensione e forma delle particelle

Le dimensioni delle particelle contenute in una polvere per Additive manufacturing devono rientrare all’interno di un range dimensionale adatto al processo, inoltre, risultano fondamentali le proporzioni relative di particelle fini e grossolane, per controllare e predire la densità di compattazione della polvere. La massima densità di compattazione si ottiene con una distribuzione che include il giusto rapporto tra particelle grossolane e fini, dove le particelle più fini vanno a riempire gli interstizi lasciati da quelle più grandi.
La forma delle particelle influenza sia la capacità di compattazione delle polveri che la loro scorrevolezza. In genere, le particelle lisce di forma regolare scorrono più facilmente e tendono a compattarsi in modo efficiente creando un letto di polvere più denso di quelle con una superficie ruvida e/o di forma irregolare. Le superfici più ruvide creano un maggiore attrito interparticellare che limita le proprietà di scorrimento, mentre le particelle di forma irregolare sono più soggette all'interblocco meccanico che, oltre a limitare la scorrevolezza, determina una minore efficienza di compattazione delle polveri.
Le particelle con satelliti rappresentano spesso un problema nell’utilizzo delle polveri metalliche, poiché anche la presenza di satelliti influenza la scorrevolezza della polvere e la loro capacità di compattazione.

Figura 2. Classificazione delle particelle sulla base di parametri morfologici per la caratterizzazione e il confronto di polveri riciclate (18 cicli di processamento in verde e 24 cicli in blu) e polvere vergine (in rosso)

Figura 3. Grafico di Stability e Variable Flow Rate ottenuto dall’analisi di reologia di tre lotti di polveri metalliche fornite da diversi produttori, per la caratterizzazione della loro “scorrevolezza”

Riutilizzo delle polveri metalliche

Al termine di ogni ciclo produttivo le polveri non fuse possono essere reimpiegate nel ciclo successivo, bisogna tener conto, però, che il riutilizzo delle polveri per un numero eccessivo di volte può causare un deterioramento delle loro caratteristiche morfologiche, abbassandone la qualità. Per questo motivo, la caratterizzazione delle polveri risulta fondamentale per indagare i cambiamenti che hanno subito in seguito all’utilizzo e verificare che le nuove caratteristiche siano ancora compatibili con un ulteriore processamento. Il riutilizzo delle polveri prevede l’aggiunta di polvere vergine alla miscela in proporzioni determinate proprio dalle caratteristiche delle polveri riciclate, in termini di ossidazione della superficie e morfologia.

La polvere riciclata mostra più particelle allungate, più satelliti sulla superficie e più agglomerati con maggiore percentuale di ossidi in superficie che possono compromettere la qualità del ciclo successivo. È necessario, pertanto, che le polveri siano ricondizionate prima di un nuovo utilizzo. Il recupero delle polveri, in genere, prevede una loro setacciatura prima del riutilizzo, per rimuovere contaminanti quali particelle di grosse dimensioni e agglomerati. Questo trattamento, tuttavia, non garantisce un controllo accurato delle dimensioni delle particelle a causa dei limiti della setacciatura, pertanto un’analisi morfologica, in termini di dimensioni e forma delle particelle, risulta fondamentale per garantire la qualità della polvere.

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