I supporti nelle tecnologie Laser Powder Bed Fusion

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La peculiarità della stampa 3D di costruire gli oggetti in additivo rende spesso necessaria la presenza di strutture di supporto per sostenere le superfici aggettanti, cioè quelle con angolo di inclinazione compreso tra 0 e 90°.

Leggi QUI la prima parte e QUI la seconda

Dopo aver parlato dei primi due processi di additive manufacturing che necessitano di supporti, il Fused Deposition Modelling (FDM) e la stereolitografia (SLA), nella TERZA PARTE, concludiamo con la tecnologia Laser Powder Bed Fusion.

Il terzo processo: L-PBF

Oltre alle prime due tecnologie, anche quelle Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) hanno necessità di supporti che ancora una volta sono realizzate con lo stesso materiale dell’oggetto che si vuole realizzare. I supporti sono necessari nel processo di Selective Laser Melting (SLM) nei metalli poiché svolgono diverse funzioni vitali all’interno del processo come il dover supportare la superficie appena fusa e in particolare quelle rivolte verso il basso.

Le funzioni dei supporti

In Figura 11 (Fonte Materialise) si può vedere un componente e i supporti realizzati con tecnologie Selective Laser Melting. Nelle tecnologie a letto di polvere i supporti hanno molteplici funzioni:

  • supportare le superfici aggettanti inclinate oltre il valore limite,
  • ridurre la formazione di scorie sulle regioni discendenti,
  • ridurre al minimo le linee di deformazione e restringimento,
  • migliorare la trasmissione del calore e la sua dissipazione,
  • prevenire la deformazione e
  • mantenere la parte in posizione fissa.

Questi processi basano il loro principio di funzionamento sulla fusione di sottilissimi strati di polvere metallica. Un laser ad alta potenza concentra l’energia in un raggio molto piccolo con un diametro di circa 80 micron. L’energia emessa permette di raggiungere la temperatura necessaria a garantire la fusione del materiale lavorato e questo processo potrebbe generare stress termico.

Perché si genera stress termico?

  • Elevate temperature di fusione, ad es. Acciaio inossidabile 1200°C, Titanio 1650°C, Alluminio 660°.
  • Velocità di raffreddamento elevate (< 1ms – 100°C)
  • Le sollecitazioni si accumulano in tutti gli strati perché in ogni strato gli strati superiori vengono riscaldati e raffreddati nuovamente. La dilatazione e il ritiro, bloccati da strati già solidificati, provocano tensioni residue o deformazioni nel componente. Per queste ragioni, è necessario gestire gli stress termici e in tal senso i supporti ci aiutano poiché consentono di evitare deformazioni e mantenere la parte in posizione.

Le sollecitazioni rimangono nella parte dopo la costruzione e se il supporto viene rimosso immediatamente, la parte si deformerà comunque nella posizione desiderata. In molti casi è necessario un trattamento termico prima della rimozione dei supporti, per rilasciare le sollecitazioni ed evitare deformazioni.

In Figura 12 è evidente la distorsione della geometria causata da stress termici e risolta mediante l’utilizzo di supporti.

Conclusioni

Dunque, i supporti hanno duplici funzioni a seconda del processo di Additive Manufacturing che scegliamo di utilizzare per la realizzazione dei componenti. In alcuni casi si utilizzano materiali differenti rispetto all’oggetto realizzato, rendendo più facile la loro rimozione, mentre in altri il materiale è lo stesso ed è richiesto l’intervento manuale.

In alcune tecnologie i supporti consentono di ottenere vantaggi in termini di stabilità di processo evitando la deformazione delle parti e favorendo in questo modo la costruzione e il rispetto delle tolleranze. Nonostante ciò, i supporti sono dei componenti “a perdere”, in quanto una volta rimossi richiedono il loro smaltimento e dunque aumentano la quantità di materiale che non può essere riutilizzato. A tal proposito, al fine di ridurre l’impatto ambientale, o anche solo i tempi e i costi di produzione, è bene agire sul design o sull’orientamento del componente che s’intende realizzare, per ridurre al mimino o eliminare completamente la necessità di strutture di supporto.

Applicare le regole del Design for Additive Manufacturing permette di eliminare o integrare i supporti all’interno dell’oggetto, garantendone la fattibilità costruttiva e migliorando il business case.

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