Spianare la strada a una rivoluzione nella stampa 3D in Europa
La produzione additiva è il nome della produzione industriale per la stampa 3D, un processo computerizzato che crea parti 3D depositando materiali in strati. Tale processo trasformativo offre una libertà di progettazione infinita e livelli di integrazione funzionale di dispositivi senza precedenti, con un minore consumo di energia e di materie prime, oltre a scarti ridotti. Nonostante il loro potenziale, ad oggi i processi e i materiali additivi non sono sufficientemente maturi per sostenere l’intero settore. La stampa a strati di componenti non ha semplicemente raggiunto la velocità, la precisione e la scala necessarie per sostituire i metodi di produzione tradizionali. È qui che entra in gioco PAM^2. Il progetto, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, ha preso in considerazione l’intero spettro di sviluppo della produzione additiva, dalla progettazione e dalla modellizzazione dei prodotti alla produzione, alla misurazione della qualità e al collaudo finale per consentire progettazioni più precise e ottimizzate.
Strumenti migliori di progettazione e modellizzazione
Prestando particolare attenzione alla fusione del letto di polvere tramite laser, una tecnica di produzione additiva che si avvale del laser per sciogliere e fondere il materiale per creare un oggetto 3D, i ricercatori hanno catalizzato l’azione su diversi fronti. Un modello termico di nuova concezione denominato «rilevatore di punti caldi» ha contribuito a rilevare le aree di concentrazione del calore. È stato usato un modello a stato stazionario per integrare le limitazioni della produzione additiva in metodi di ottimizzazione topologici volti, in definitiva, alla generazione di progettazioni solide non inclini al surriscaldamento. Il modello ha consentito ai ricercatori di produrre progettazioni di stampi migliori per giochi da costruzione come i mattoncini LEGO e per strutture di supporto che controllano in modo efficiente il flusso di calore. Combinando modelli termo-fluidodinamici e modelli a parametri concentrati, i tempi di simulazione del processo di produzione additiva dei metalli si sono ridotti sensibilmente, diminuendo pertanto il tempo di realizzazione del prodotto. La modellizzazione del processo su diverse scale di lunghezza, ha permesso ai ricercatori di scoprire che velocità di scansione superiori comportano velocità di raffreddamento maggiori e granulometrie più fini, migliorando la resistenza meccanica dei campioni. Inoltre, alcuni studi hanno dimostrato le modalità con cui i cambiamenti morfologici nella zona di depressione (una cavità indotta dalla pressione di contraccolpo per l’evaporazione del metallo) influiscono sull’assorbimento del laser. Infine, è stato impiegato un nuovo modello in scala per prevedere sollecitazioni e deformazioni residue.
Strategie di processo e tecniche metrologiche avanzate
L’impiego del controllo di processo statistico e della regressione quadratica hanno offerto previsioni più attendibili riguardo ai parametri della parte metallica che, a sua volta, ha fornito un riscontro correttivo per la fase di progettazione di componenti 3D stampati. Le onde d’urto indotte dal laser e i metodi di rifusione hanno contribuito a migliorare la qualità della superficie del metallo, mentre l’ablazione laser ha migliorato la precisione dei bordi. Le attività del progetto erano inoltre orientate allo sviluppo di strumenti metrologici migliorati per l’ispezione durante e dopo il processo. I ricercatori hanno provato nuovi metodi per il monitoraggio ottico del bagno fuso e un sistema compatto di variazione della messa a fuoco per l’esecuzione di misurazioni della qualità durante il processo. I ricercatori hanno anche sperimentato un sistema di tomografia computerizzata a raggi X microfocalizzati e tecniche di profilometria di proiezione dei contorni per la post-elaborazione di parti metalliche stampate in 3D. Le tecnologie di produzione additiva si stanno evolvendo rapidamente. Un numero crescente di imprese sta convertendo la propria produzione nella produzione additiva o la sta aggiungendo alle proprie competenze. I nuovi processi in fase di sviluppo e una varietà crescente di materiali di produzione aprono la via a una vasta gamma di possibilità. «La produzione additiva semplifica la progettazione e la produzione di dispositivi leggeri personalizzati da utilizzare in ambito sanitario, automobilistico, aerospaziale e in altri settori. Tale processo potrebbe offrire all’Europa la possibilità di aumentare la sua quota industriale in diminuzione oltre il 20 % del prodotto interno lordo», conclude Ann Witvrouw, coordinatrice del progetto.
Parole chiave
PAM^2, produzione additiva, progettazione, metallo, metrologia, stampa 3D, durante il processo, dopo il processo, fusione del letto di polvere
