L’impiego di gas riguarda qualsiasi settore della produzione industriale, partendo dalle tecnologie più tradizionali per arrivare a quelle di ultima generazione.
Quando si pensa ad un processo industriale, in genere, ci si focalizza sulle tecnologie coinvolte, su quali garanzie possano offrire in termini di efficienza, produttività, qualità, con obiettivo finale la competitività. Oggi è sempre più evidente come sia soprattutto la sinergia a permettere di raggiungere i risultati attesi, sinergia che coinvolge sempre più spesso il processo produttivo, assimilandolo alla musica suonata da un’orchestra, dove tutti gli strumenti suonano in modo coordinato, e gli “strumenti” del processo produttivo sono tutto ciò che lo rende possibile. Fra questi, i gas giocano un ruolo fondamentale.
L’impiego di gas è trasversale a tutti i settori merceologici, dall’aerospaziale, all’automotive, all’alimentare, senza dimenticare le applicazioni ambientali o in ambito medicale, e molto spesso decretano o meno il successo di una specifica applicazione. Infatti, per poter raggiungere ottimi risultati in termini di prestazioni, qualità e costi, è fondamentale disporre della miscela di gas adeguata.
L’aerospace è caratterizzato da lavorazioni meccaniche complesse, con livelli qualitativi molto elevati: il gas ricopre un ruolo basilare nei vari processi, in particolare per quanto riguarda le lamiere, dal taglio laser alle saldature, ma anche nella manifattura additiva, sempre più di interesse in questo settore. Analogo discorso vale per il settore automotive dove c’è un forte orientamento verso tecnologie che migliorino i processi, incrementando produttività e performance, data la crescita e la forte competitività del mercato.
Produttività, competitività, costi, efficienza, sono termini ricorrenti quando si parla di processi produttivi e, se la tecnologia richiede l’impiego di gas, l’utilizzo ottimale di gas o miscele è garantito dall’avere una conoscenza approfondita dei prodotti e dei campi di applicazione, ma con la capacità e volontà di studiare e proporre miscele innovative, sempre più performanti, quando le esigenze lo richiedono.
I gas e la tecnologia additiva
La tecnologia additiva sta diventando sempre più importante nel mondo manifatturiero per la possibilità di creare forme complesse, non realizzabili (o difficilmente realizzabili) con tecnologie tradizionali, siano esse processi fusori o tecnologie sottrattive. Come è noto, il processo parte da un modello virtuale, generato con sistemi CAD 3D, la cui matematica viene opportunamente processata per arrivare alla generazione, strato dopo strato, di un manufatto reale. Il processo si basa su tecniche diverse, dalla sovrapposizione di strati successivi di polveri metalliche fuse da un raggio laser, alla deposizione diretta di materiale sotto forma di polvere o filo.
Indipendentemente dalla tecnica su cui si basa, il ruolo dei gas è fondamentale nella produzione additiva di componenti metallici. L’utilizzo di un gas di protezione ad elevata purezza permette di evitare che il metallo fuso entri in contatto con gli elementi presenti nell’aria come ossigeno, umidità ed inquinanti; i gas più usati sono azoto e argon, che hanno il compito di evitare l’ossidazione delle polveri.
“Una protezione gassosa non efficace porta con sé diverse problematiche, quali l’ossidazione superficiale o la presenza di porosità e difetti – spiega Nicola Sala di SIAD –. L’ossidazione superficiale è dovuta ad una eccessiva presenza di O2 cui segue una delaminazione degli strati fusi, mentre la presenza di porosità o difettosità è dovuta ad inclusioni di gas ed alla presenza di umidità e/o di inquinanti di varia natura. E’ fondamentale che i gas utilizzati siano ad alta purezza: se questo è vero nella maggior parte delle applicazioni, quando si tratta di produzioni additiva di polveri metalliche, diventa una condizione imprescindibile”.
Le tecnologie additive si basano sul concetto di accrescimento del pezzo, crescita che avviene in maniera diversa a seconda della tecnica adottata; di conseguenza anche il gas impiegato può essere diverso, anche in relazione ai compiti che deve assolvere.
Powder Bed Fusion: è il processo di produzione additiva per polveri metalliche più maturo e ampiamente utilizzato. In questo caso gas inerte viene utilizzato per il lavaggio della camera prima di avviare il processo; in alcuni sistemi il flusso di gas è attivo per tutta la durata del processo, che prevede livelli di ossigeno sotto 300 ppm. I gas impiegati sono azoto o argon, ed hanno il compito di evitare qualsiasi reazione fra metallo (incandescente) e l’atmosfera, in particolare l’ossigeno.
Electron Beam Melting (EBM): il gas utilizzato è elio, che viene immesso nella camera, fino a raggiungere una pressione parziale di 2×10-3 mbar. Viene utilizzato l’elio in quanto la sua elevata conducibilità termica favorisce la dispersione del calore nell’area di contatto fascio di elettroni-letto di polvere. Durante la fusione vengono immesse modeste quantità di elio (4 l/ora) per dissipare la carica elettrostatica della superficie del fuso.
Laser Metal Deposition (LMD e DMD): il gas di protezione evita ossidazioni e presenza di porosità, dovute al contatto fra materiale fuso e ossigeno. In genere viene preferito l’argon all’azoto perché evita che si inneschino reazioni; la preferenza diventa obbligo nel caso di materiali reattivi come il titanio o l’Inconel. Vengono anche impiegate miscele argon-elio che riducono il rischio di formazione di plasma, che formerebbe una sorta di schermatura, e facilitano la dispersione di energia. La natura di questo processo necessita l’impiego di un carrier gas per il trasporto delle polveri attraverso il circuito.
Material & Binder Jetting: è un processo articolato su tre fasi (stampa, debinding e sinterizzazione) in forno in atmosfera inerte. Durante la fase di stampa non c’è presenza di gas, così come durante il debinding. La sinterizzazione avviene in atmosfera protetta: nel caso di acciai inossidabili austenitici e leghe cromo- cobalto si impiegano miscele argon-idrogeno per evitare che l’ossigeno resti intrappolato fra i grani, ossidando il materiale.
Wire Arc/Plasma Additive Manufacturing: l’impiego principale è per sostituire o riparare forgiati di grandi dimensioni, in particolare per quanto riguarda le parti di bassa e media complessità. Nel caso del Wire Arc viene impiegato argon per proteggere il bagno da ossigeno, umidità e idrocarburi che possono portare a reazioni chimiche e quindi a difettosità; piccole quantità di gas attivo (solitamente CO2) vengono addizionate per stabilizzare l’arco. Nel caso del plasma, questo viene utilizzato in quanto è la fonte di calore grazie al quale è possibile fondere il materiale d’apporto. Le miscele argon-idrogeno possono essere usate come gas di protezione per ridurre le ossidazioni e incrementarne la velocità.
