Laser Powder Bed Fusion (LPBF): tutto quello che c’è da sapere

La fusione a letto di polvere tramite laser o Laser Powder Bed Fusion (LPBF) racchiude un gruppo di metodi di produzione additiva di metalli che utilizzano, come suggerisce il nome, un letto di polvere e un laser per fondere insieme la polvere. In particolare, questo gruppo comprende la tecnologia DMLS, un metodo di stampa 3D in metallo noto per la sua capacità di creare parti metalliche complesse. In questo articolo esploreremo in dettaglio la fusione laser a letto di polvere e in particolare la DMLS, dalla sua storia e dal suo funzionamento, ai vantaggi, alle fasi di post-processing e all’impatto sul mercato della stampa 3D.

Storia della tecnologia

La tecnologia DMLS è un processo brevettato nel 1994 da EOS, ma la tecnologia è anche nota come SLM (Selective Laser Melting o Fusione Laser Selettiva), termine introdotto dal Fraunhofer Institute nel 1995. Sebbene i termini DMLS e SLM abbiano origini diverse, i processi che rappresentano sono in realtà molto simili. Per evitare confusioni, queste tecnologie vengono generalmente indicate come LPBF, sottolineando che, contrariamente a quanto potrebbe suggerire il termine “DMLS”, tradotto in inglese come Direct Metal Laser Sintering, questi processi non prevedono la sinterizzazione, ma la fusione di particelle di metallo.

Crediti immagine: Fraunhofer ILT, Aachen, Germania

Inoltre, bisogna ricordare la differenza tra sinterizzazione e fusione, anche queste spesso confuse: la fusione implica il passaggio da uno stato solido a uno stato liquido che segue l’esposizione alle elevate temperature della fonte di calore; nella sinterizzazione invece il materiale non raggiunge lo stato liquido perché la temperatura della fonte di calore non è sufficientemente elevata. Nel caso della sinterizzazione del metallo, le particelle di metallo vengono assemblate, ma i pezzi prodotti risultano piuttosto fragili. Per illustrare questo punto, prendiamo l’esempio di una pila di mele: ci sarà sempre uno spazio tra due frutti. Le parti stampate in 3D avranno quindi una bassa resistenza meccanica, a differenza della fusione in cui il materiale, poiché raggiunge la forma liquida, riempie tali aperture.

Come funziona la Laser Powder Bed Fusion?

Per avviare il processo di stampa, la stampante 3D riempie la camera con un gas inerte e quindi la riscalda alla temperatura di stampa ottimale. Un sottile strato di polvere, il cui spessore varia tra i 20 e i 60 micron, viene poi applicato sul piano. Il laser a fibre ottiche (200/400 W) quindi effettua la scansione della sezione trasversale del pezzo, fondendo tra loro le particelle di metallo. Una volta completato lo strato, il piatto si sposta in basso consentendo l’aggiunta di un altro strato di polvere. Il processo viene ripetuto fino all’ottenimento del pezzo finito. In sintesi, il processo di stampa 3D DMLS è il seguente:

• Preparazione del materiale: il materiale di base è una polvere metallica fine, spesso una lega specifica. Questa polvere viene immagazzinata in una tramoggia e alimentata nella macchina da stampa.
• Preriscaldamento: prima della stampa, la polvere viene preriscaldata a una temperatura leggermente inferiore al suo punto di fusione. Questo assicura che il materiale si solidifichi rapidamente dopo il passaggio attraverso il laser.
• Applicazione a rullo: sottili strati di polvere vengono applicati uno dopo l’altro sul piano di stampa con un rullo.
• Fusione laser: Un laser ad alta potenza viene puntato con precisione sullo strato superiore di polvere metallica. L’intensità del laser viene regolata in modo da raggiungere la temperatura di fusione del materiale, facendolo fondere e solidificare immediatamente dopo il raffreddamento. Questa fase viene ripetuta strato per strato per costruire l’oggetto strato per strato.

Principali vantaggi della tecnologia LPBF

La tecnologia LPBF per metalli offre una serie di vantaggi considerevoli:

• Complessità geometrica: consente di progettare parti geometricamente complesse, impossibili da realizzare con i metodi tradizionali di fabbricazione dei metalli, come la fresatura.
• Riduzione del peso e del numero di componenti: Grazie alle tecniche di ottimizzazione topologica, può ridurre il peso finale dei pezzi e il numero di componenti da assemblare.
• Resistenza meccanica: i pezzi in metallo prodotti con LPBF hanno una resistenza meccanica paragonabile a quelli prodotti con le tradizionali tecniche di produzione sottrattiva. La LPBF è una delle poche tecnologie di manifattura additiva utilizzata nella produzione.

Materiali

La LPBF impiega polveri di metallo per creare parti più o meno complesse. Metalli e leghe come acciaio inossidabile, cromo cobalto, alluminio, titanio e inconel sono i materiali utilizzati più spesso. Alcuni metalli preziosi (oro, platino, argento) sono talvolta utilizzati, ma quasi esclusivamente nel settore della gioielleria.

Post-processing

Per quanto riguarda il post-processing, dopo la stampa, la stampante 3D viene raffreddata e la polvere non fusa viene rimossa dal vassoio, spesso mediante aspirazione. A differenza della tecnologia SLS, i supporti sono comunemente raccomandati nella LPBF per ridurre al minimo le deformazioni causate dalle alte temperature. Dopo il raffreddamento della stampa, i supporti vengono generalmente rimossi mediante taglio, lavorazione o elettroerosione a filo.

Come nel caso della SLS, le parti stampate sono circondate da polvere non fusa, chiamata “cake” (torta). I pezzi possono essere puliti con aria compressa o sabbiatura.

Dopo la pulizia e la rimozione dei supporti, le parti vengono sottoposte a un processo di post-processing che può includere il trattamento termico per ridurre le tensioni residue, la lavorazione CNC o la lucidatura per migliorare la qualità della superficie.

Le fasi di post-processing possono essere più o meno importanti a seconda dei risultati che si desiderano ottenere nel pezzo finale.

I principali attori sul mercato

La LPBF trova applicazione in settori quali l’aerospaziale, l’automotive, il medicale (in particolare il dentale) e altre industrie. Diversi operatori chiave, tra cui EOS, 3D Systems, AddUp, General Electric Additive, SLM Solutions, Trumpf, Sisma e Renishaw, offrono soluzioni in questo mercato in rapida crescita.

Un pezzo in metallo stampato in 3D | Immagine tratta da Mercedes-Benz

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