In Velo3D, ci impegniamo costantemente per rendere la produzione additiva in metallo (AM) accessibile a ingegneri e produttori di tutti i settori. Spesso quando si parla di AM, gli esperti del settore possono impantanarsi in casi d'uso specifici, che possono essere difficili da comprendere per chi è nuovo nel campo o per chi sta imparando sul metallo industriale AM per la prima volta.
In questa guida introduttiva, esamineremo l'AM in metallo da un livello elevato, in particolare la stampa con fusione a letto di polvere laser, ed esploreremo come i progetti vengono creati e tradotti per la produzione, diverse iterazioni e applicazioni del processo AM e altro post-processi coinvolti per creare una parte finale, utilizzabile e pronta per la produzione proprio come faresti con qualsiasi altro processo di produzione.
Cos'è Metal AM e a cosa serve?
Per gli scopi di questo articolo, useremo Additivo di produzione ed stampa 3D fare riferimento allo stesso processo generale. La stampa 3D tende ad essere un termine usato in modo più ampio, tuttavia, e può incapsulare le stampanti 3D domestiche utilizzate dagli hobbisti, mentre la produzione additiva tende ad essere utilizzata maggiormente per descrivere applicazioni industriali, tecnologiche o professionali.
Le tecnologie di base alla base dell'AM risalgono all'inizio e alla metà degli anni '1980, quando furono rilasciati i primi brevetti. Per decenni, la stampa 3D è stata utilizzata principalmente per scopi di prototipazione. La prototipazione rapida (RP) attraverso la stampa 3D potrebbe dare vita a un concetto di design molto più rapidamente rispetto ad altri processi di lavorazione di precisione che soddisfano la forma e l'adattamento del design, se non sempre la funzione.
Man mano che la tecnologia diventava più sofisticata, si è spostata oltre il regno degli hobbisti desktop ed è ora utilizzata come processo di produzione per molteplici industrie innovative, dai settori dell'energia e della difesa all'aviazione, aeronautica, spazio, estrazione mineraria e molti altri. Metal AM può ora essere utilizzato per produrre prodotti industriali di alta qualità parti di precisione, ed è apprezzato per la sua capacità di aumentare le prestazioni, ridurre il peso dei componenti, consolidare molte parti disparate in singole strutture e accelerare il time-to-market. Non sorprende che alcune delle aziende più lungimiranti, come Cromalloy, Ricerca LAMe Honeywell, solo per citarne alcuni, stanno investendo molto nell'AM in metallo per guidare la loro innovazione.
Uno sguardo più da vicino al processo Metal AM
Il processo di produzione additiva in metallo è in realtà più processi che si traducono in una parte finita. Per riferimento, la soluzione AM end-to-end di Velo3D utilizza Laser Powder-Bed Fusion (LPBF), che spiegheremo più dettagliatamente in seguito. Per ora, esploriamo come funziona il processo complessivo.
Innanzitutto, un computer ad alta potenza traduce il disegno tridimensionale originale in istruzioni di stampa bidimensionali. Successivamente, un stampante in metallo esegue queste istruzioni, applicando al laser la parte strato per strato su singoli strati di metallo in polvere. Dopo che lo strato finale è stato stampato, la costruzione tridimensionale può essere rimossa dalla stampante, depolverizzata e post-elaborata. La post-elaborazione può includere vari trattamenti termici, lavorazioni meccaniche o lucidatura della superficie a seconda dell'intento del progettista e dell'ambiente in cui verrà utilizzato il progetto. Allo scopo di spiegare come funziona il processo, analizziamo ciascuna di queste fasi e vediamo come funzionano sia per i processi AM in metallo convenzionali che avanzati.
Tutto inizia con il design
Ci sono diverse considerazioni che gli ingegneri devono fare quando preparano un progetto per la produzione. Molte volte, il design perfetto, con prestazioni simulate altamente ottimizzate, è impossibile da produrre effettivamente. Gli ingegneri spesso hanno bisogno di allontanarsi dal design più ottimizzato per portare il loro concetto alla realtà, e gli stessi sacrifici vengono fatti durante l'aggiornamento o la riprogettazione di una parte legacy esistente. Design for Manufacturing (DfM) è la disciplina che valuta una parte e converte l'idea iniziale in una parte producibile con le tecnologie di produzione esistenti. In genere, gli ingegneri avranno parametri approssimativi per una parte prima di prendere decisioni chiave che possono influire sulla produzione.
Queste considerazioni includono:
- Qual è l'entità dell'operazione? Ovvero, quante delle parti finalizzate dovranno essere lavorate? Questa considerazione può aiutare a determinare quale metodo di produzione di parti ha più senso.
- Qual è l'applicazione? Se una parte verrà utilizzata in un ambiente ad alta pressione o in un settore con standard elevati e normative severe, questa considerazione può aiutare a determinare quali materiali devono essere utilizzati nel processo di produzione.
- Quali sono i vincoli di budget e di tempo? Allo stesso modo, per ridimensionare, il tempo di consegna richiesto per una parte, che include più iterazioni della parte e l'approvvigionamento di manodopera qualificata per produrre tali iterazioni, e il budget assegnato per creare la parte possono influenzare il metodo di produzione.
Il processo DfM può essere un calcolo complicato, ma quando tutte le decisioni vengono prese tendono a finire allo stesso modo: agli ingegneri viene dato il via libera per produrre un progetto finale entro i limiti di quelle considerazioni chiave. Questo progetto, in genere realizzato utilizzando file CAD (computer-aided design), è solitamente un compromesso tra il concetto di design iniziale e idealizzato e le limitazioni del processo di produzione e dei materiali.
Al contrario, la progettazione per la produzione additiva (DfAM) tende a concentrarsi maggiormente sulla producibilità delle parti specifiche del processo additivo. All'interno di DfAM, c'è una maggiore enfasi sul consolidamento delle parti e sulla conservazione delle risorse materiali durante il processo di stampa. Durante la progettazione per la produzione additiva in metallo, un ingegnere esaminerà ogni caratteristica specifica di una parte e suddividerà queste caratteristiche in sfide separate in base all'orientamento della parte e della caratteristica. Ad esempio, le considerazioni su angoli bassi (sporgenze), canali e aperture, pareti sottili e proporzioni elevate possono rappresentare una sfida quando si traducono progetti DfAM in parti stampate finali.
A causa di queste innumerevoli sfide, il processo DfAM può portare a parti che si discostano notevolmente dall'intento progettuale originale dell'ingegnere. Progettando una parte rigorosamente per la produzione additiva convenzionale, le parti possono perdere funzionalità e/o prestazioni critiche. Parte del motivo per cui Velo3D eccelle in AM è che abbiamo unificato i processi di progettazione e stampa in un'unica soluzione end-to-end completa, integrando hardware e software e mantenendo intatte le caratteristiche di progettazione critiche preservando l'intento di progettazione originale della parte.
Attraverso l'integrazione di software di progettazione e stampanti in un avanzato sistema AM in metallo, gli ingegneri sono in grado di ottenere geometrie di progettazione ottimali con maggiore complessità senza compromessi, consolidare le parti necessarie senza sacrificare l'intento di progettazione e ottenere la certezza di cui hanno bisogno che la parte che hanno progettato si trasformerà quando stampato.
Come funziona il processo di stampa Metal AM
Una volta completata la fase di progettazione, il processo di stampa di produzione additiva può assumere diverse forme. Ogni processo di stampa è adatto a diverse applicazioni, alcune delle forme più comuni di stampa AM sono:
- Apparecchio per stereolitografia (SLA)
- Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
- Modellazione a deposizione fusa (FDM)
- Elaborazione digitale della luce (DLP)
- Produzione di oggetti laminati (LOM)
- Fusione laser selettiva (SLM)
- Fusione laser a letto di polvere (LPBF)
- Sinterizzazione laser diretta del metallo (DMLS)
- Fusione a fascio di elettroni (EBM)
- Getto del legante (BJ)
- Material Jetting (MJ) Tecnologia Polyjet e Wax Casting
- Deposizione rapida di plasma (RPD)
In Velo3D, utilizziamo una versione modificata di Laser Powder Bed Fusion (LPBF) che incorpora alcuni colpi di scena proprietari e rivoluzionari. Ma attraverso la lente di LPBF possiamo esplorare come funziona la stampa additiva in metallo a livello pratico.
In LPBF, la stampante in metallo contiene una camera di costruzione che viene mantenuta completamente inerte e viene spesso pompata con gas argon per rimuovere tracce di ossigeno o umidità all'interno dell'atmosfera della camera. Anche la minima presenza di ossigeno può causare impurità e fragilità nella parte finale.
Una volta stabilite le condizioni all'interno della camera, strati di polvere metallica vengono depositati in quello che viene chiamato il letto di polvere. I laser iper-specializzati vengono quindi utilizzati per riscaldare il letto di polvere e fondere la polvere metallica in un liquido nella forma desiderata dell'oggetto. Strato dopo strato, il letto di polvere viene tirato sull'oggetto utilizzando una lama di rivestimento; il laser scioglie la polvere nella forma desiderata e la lega allo strato sottostante finché non si ottiene un oggetto finito.
In molte applicazioni LPBF, il processo di stampa include anche supporti o ponteggi integrati nella costruzione. Quando si stampa con il metallo, il laser scioglie ogni strato che poi si raffredda e si solidifica rapidamente. Man mano che il metallo continua a raffreddarsi, si contrae. Strato dopo strato di fusione, solidificazione e contrazione accumulano stress nel metallo. Se non adeguatamente tenuto in considerazione, questo stress può deformare il metallo o addirittura rompere la parte. Per compensare questo stress, gli ingegneri utilizzano supporti per tenere le parti sulla piastra di costruzione.
Per stampanti 3D in metallo convenzionali prive delle sofisticate ricette di stampa di una Velo3D Sapphire stampante, i supporti sono molto comuni. In quello che alcuni potrebbero chiamare "l'approccio della pistola da un milione di dollari", gli ingegneri che utilizzano costose stampanti industriali finiscono per produrre tanto materiale di supporto quanto la parte reale. Questo materiale tende ad essere le stesse superleghe costose e difficili da lavorare necessarie per progetti ad alte prestazioni. Spesso più della metà della massa totale stampata finisce per essere materiale di supporto sprecato che, in fase di post-elaborazione, dovrà essere rimosso.
Al contrario, Velo3D ha aperto la strada a SupportoGratisTM processo di stampa che consente agli ingegneri di ottenere geometrie complesse e angoli bassi senza la necessità di strutture di supporto per mantenere l'oggetto in posizione. La nostra libreria standardizzata di ricette di processo altamente sofisticate consente agli ingegneri di stampare i loro progetti senza fare affidamento sui supporti e ha contribuito a sbloccare ulteriori innovazioni per le applicazioni, come microturbine, scambiatori di calore, turbopompe, e ancora più.
Post-elaborazione per Metal AM
Alla fine del processo di stampa, ai team rimane quella che equivale essenzialmente a una bozza dell'oggetto. Vengono quindi messe in moto le fasi finali della stampa 3D in metallo. Dopo la stampa, la parte e la piastra di costruzione vengono seppellite sotto polvere metallica non fusa. Un operatore aspirerà quanta più polvere possibile per il riutilizzo su parti future. Dopo questo passaggio, un operatore può rimuovere la piastra di costruzione e la parte metallica (sempre saldata alla piastra). Potrebbero essere necessarie ulteriori fasi di rimozione della polvere per pulire completamente la parte.
A seconda dell'applicazione e del metallo utilizzato, un operatore potrebbe dover trattare a caldo la parte prima di rimuoverla dalla piastra di costruzione. A causa dell'elevato livello di sollecitazione che può accumularsi durante una stampa, le parti che non sono opportunamente alleggerite dallo stress possono deformarsi o addirittura rompersi quando vengono tagliate dalla lastra. Altre fasi di trattamento termico possono influenzare le proprietà del materiale. Processi come HIP (Hot Isostatic Press) e Solution and Age possono essere richiesti a seconda delle specifiche del pezzo.
Per molte parti AM in metallo, è possibile utilizzare una lavorazione aggiuntiva per rimuovere i supporti e ottenere tolleranze target difficili da raggiungere sulle parti come stampate. Una volta rimossi i supporti, la parte può essere fresata, forata e lucidata all'interno e all'esterno per ottenere le specifiche richieste o migliorare le proprietà tra cui la qualità della superficie, l'accuratezza geometrica e altre proprietà meccaniche. Spesso le superfici interne vengono trattate con abrasivi flow lavorazione per migliorare la finitura superficiale e rimuovere le impurità rimaste dalle strutture di supporto di costruzione e persistenti.
Infine, quando la parte è finita, deve essere attentamente valutata e testata per garantire un funzionamento ottimale e che soddisfi i severi requisiti normativi stabiliti per settori specifici. Velo3D lavora per garantire la qualità di integrando queste misure di analisi all'interno del processo di stampa stesso utilizzando metrologia avanzata e sensori e software di convalida delle parti.
C'è molto da imparare sulla produzione additiva. Sia che tu stia solo grattando la superficie della stampa 3D, sia che tu sia interessato a esplorare l'AM in metallo come soluzione di produzione di parti per applicazioni industriali, c'è un universo di innovazione che ti aspetta lungo il percorso. Velo3D è un pioniere nello spazio AM in metallo, consentendo agli innovatori di dare vita anche ai loro progetti più complessi, senza compromessi.
Se sei interessato a saperne di più sul processo Velo3D metal AM, contatta oggi stesso uno dei nostri ingegneri esperti.
