Garantire la Qualità: Controlli Essenziali sulle Polveri Metalliche per SLM

Introduzione

Nel mondo dell’Additive Manufacturing, e più precisamente nei processi Selective Laser Melting (SLM), la qualità delle polveri metalliche utilizzate, come materia prima di partenza, gioca un ruolo fondamentale nel determinare il successo del processo. La comprensione delle caratteristiche delle polveri metalliche necessarie per produrre in modo affidabile componenti di qualità accettabile diventa quindi fondamentale non solo per comprendere appieno il processo e tenerlo monitorato, ma anche per poter costruire un sistema di qualità aziendale ed offrire quindi ai clienti maggiori garanzie.

In questo articolo, esploreremo brevemente le caratteristiche chiave delle polveri metalliche per SLM e il processo di controllo di qualità associato.

Principali Proprietà delle Polveri Metalliche per SLM

Le polveri metalliche utilizzate nel processo di SLM devono possedere diverse proprietà chiave per garantire risultati ottimali. Il processo fisico di fusione e successiva solidificazione che si verifica durante il processo SLM per opera della sorgente laser, ad una ben determinata lunghezza d’onda, non risulta di facile descrizione in quanto le diverse caratteristiche chimico-fisiche e metallurgiche delle polveri metalliche concorrono in varia misura a determinare l’assorbanza del materiale rispetto alla densità di energia alla quale è sottoposta e quindi le modalità di transizione di fase.

Le principali proprietà che le polveri metalliche per SLM devono avere per garantire un processo consistente possono essere classificate, in modo semplicistico, in tre principali categorie:

• Proprietà chimiche;
• Proprietà morfologiche;
• Proprietà fisiche.

Questa classificazione comprende al proprio interno tutta una serie di proprietà del materiale quali la conducibilità termica, il calore latenze di fusione, la temperatura di fusione, il coefficiente di diffusione, la tensione superficiale nella fase liquida, la viscosità, la microstruttura metallurgica, la presenza o meno di impurezze chimiche e tutte quelle caratteristiche meccaniche quali modulo elastico, carico di rottura e di snervamento che concorrono in ultima analisi a definire le caratteristiche macroscopiche del manufatto finale.

La situazione risulta quindi particolarmente complessa, ed interconnessa, se solo si pensa che parte di queste proprietà definiscono poi come le polveri metalliche andranno a comportarsi durante lo stratificarsi all’interno dell’area di lavoro nel processo SLM e quindi a garantire la corretta formazione dei layers di stampa prima dell’attivazione del fascio laser.

Semplificando a minimi termini, le caratteristiche fondamentali delle polveri metalliche per SLM da tenere in considerazione possono essere:    

Granulometria: Una granulometria uniforme è infatti essenziale. Questo parametro indica la distribuzione delle dimensioni delle particelle nella polvere. Una distribuzione uniforme favorisce una stratificazione omogenea e costante del materiale durante la fase di stampa e previene ostruzioni nei sistemi di alimentazione delle polveri oppure artefatti durante la fase di fusione laser. Il controllo accurato della granulometria è fondamentale per evitare problemi durante il processo di SLM.

Composizione Chimica: La composizione chimica delle polveri metalliche influenza direttamente la risposta sotto l’azione del laser e quindi le prestazioni finali delle parti stampate. Diverse leghe metalliche sono utilizzate in SLM per ottenere specifiche proprietà meccaniche e termiche. Controllare con precisione la composizione chimica garantisce che le parti abbiano sempre le caratteristiche desiderate. Questo risulta particolarmente importante se si pensa che le polveri per SLM vengono utilizzate generalmente più e più volte nel processo (previa setacciatura per garantirne la distribuzione granulometrica corretta). 

Densità apparante / scorrevolezza: La densità della polvere, intesa come densità apparente, assieme alla loro scorrevolezza (flowability) è un altro aspetto cruciale. La densità apparente e la scorrevolezza influiscono sulla densità e sulla resistenza delle parti stampate in quanto direttamente correlate alla stratificazione dei layer durante il processo. La conoscenza della densità apparente delle polveri metalliche è essenziale per calcolare con precisione la quantità di polvere necessaria da processa layer per layer.  

Processo di Controllo di Qualità

Il controllo di qualità delle polveri metalliche è un processo minuzioso che coinvolge diversi test e analisi di laboratorio. Alcuni dei metodi di controllo di qualità più comuni includono:

Fluorescenza a Raggi X: Questo metodo viene utilizzato per determinare la composizione chimica delle polveri metalliche tramite un processo veloce e non distruttivo. La fluorescenza dei raggi X offre informazioni preziose sulla purezza delle polveri e sulla loro idoneità per la Stampa 3D. In alternativa si possono adottare analisi distruttive tramite microscopia ottica come ICP-OES o ICP-MS per avere un grado di accuratezza maggiore nella determinazione delle impurezze. Infine, per la determinazione di alcuni elementi chimici può essere necessario utilizzare analisi ad hoc.

Microscopia Elettronica a Scansione: L'analisi microscopica delle particelle di polvere fornisce informazioni sulla morfologia, sulle dimensioni delle particelle e sulla presenza di eventuali contaminanti (SEM-EDX). Questa tecnica è fondamentale per valutare la forma e la distribuzione delle particelle nonché la presenza di satelliti, cluster o particelle parzialmente fuse derivanti dal processo SLM. Per una indagine più accurata dal punto di vista granulometrico si può optare per una diffrattometria laser al fine di ottenere dati numeri comparativi sulla dimensione statistica delle particelle.  

Misurazione della Densità Apparente: La densità apparente è la massa per unità di volume di una polvere. Il metodo per la determinazione di questo parametro è relativamente semplice e su basa sull’utilizzo del misuratore di flusso di Hall. Questo parametro è cruciale per valutare l’eleggibilità della polvere per il processo SLM; la densità apparente dipende infatti dalla densità del materiale (bulk density), dalla granulometria della polvere, dalla forma delle particelle, dall’area superficiale sviluppata e dalla rugosità delle single particelle così come dal livello di ossidazione e dal contenuto di umidità. Tutti questi aspetti concorrono a determinare la scorrevolezza della polvere durante il processo di stratificazione del layer, alla base dell’ottenimento delle caratteristiche metallurgiche finali del manufatto stampato.

Normative e Standard di Qualità

Per garantire la conformità e la sicurezza, esistono diverse normative e standard di qualità specifici per le polveri metalliche utilizzate in SLM. Alcuni di questi standard noti includono:

ISO 9001: Questa norma internazionale definisce i requisiti per un sistema di gestione della qualità. Le aziende che seguono la norma ISO 9001 dimostrano un impegno per la qualità e la conformità dei loro processi.

ASTM B243: standard base per definire la terminologia da adottare in metallurgia delle polveri.

ASTM F3049: Questo standard specifico per la stampa 3D definisce i requisiti per le polveri metalliche utilizzate in applicazioni di fabbricazione additiva. Copre aspetti quali la composizione chimica, la granulometria e i test di caratterizzazione. Questa norma rimanda al suo interno a tuti gli standard, metodi e pratiche da adottare per ogni singola caratteristica della materia prima.

La conformità a queste normative e standard è essenziale per garantire la qualità e l'affidabilità delle polveri metalliche utilizzate in SLM. Infine, in funzione del settore industriale e/o nel caso di particolari utilizzi del processo, può essere necessario conformarsi ad altre normative ASTM o ISO di riferimento (es: settore aeronautico, biomedicale, ecc.).

Implicazioni sulla Qualità delle Parti Stampate

La qualità delle polveri metalliche influisce direttamente sulla qualità finale delle parti stampate in SLM. Se le polveri non soddisfano i requisiti di granulometria, composizione chimica e densità, possono verificarsi diversi problemi come per esempio:

Porosità: Le polveri di bassa qualità possono causare la formazione di porosità nelle parti stampate, compromettendo la resistenza e la densità del componente finito.

Irregolarità Superficiali: Le particelle irregolari o contaminanti presenti nelle polveri possono portare a irregolarità superficiali o difetti nella parte stampata.

Proprietà Meccaniche Inadeguate: La composizione chimica imprecisa delle polveri può influenzare negativamente le proprietà meccaniche delle parti stampate, rendendole non conformi agli standard richiesti.

Conclusioni e Consigli Finali

In conclusione, il controllo di qualità delle polveri metalliche per SLM è una parte cruciale del processo di Stampa 3D. La scelta delle polveri giuste e il rispetto delle normative e degli standard appropriati sono essenziali per garantire la qualità e l'affidabilità delle parti stampate. Le aziende devono investire nella comprensione e nell'implementazione di questi controlli per ottenere risultati eccellenti nella stampa 3D SLM.

Invitiamo i lettori a condividere le loro esperienze con il controllo di qualità delle polveri metalliche o a porre domande relative a questo importante aspetto della Stampa 3D. La qualità delle polveri è un argomento fondamentale per il successo nell'Additive Manufacturing, e siamo qui per aiutarvi a ottenere i migliori risultati possibili.