Introduzione ai processi di deposizione diretta

I processi a deposizione diretta creano strutture fondendo il materiale metallico, polvere o filo, tramite una fonte di calore concentrata (laser, fascio di elettroni o arco), mentre viene depositato in un punto preciso; a ciascun passaggio della testa di deposizione, tramite un ugello montato su un braccio a più assi, si crea una traccia di materiale rapidamente solidificata; linee adiacenti di materiale compongono gli strati; ulteriore materiale è aggiunto strato per strato. Questo processo è comunemente usato per riparare, per aggiungere materiale a componenti esistenti creando un rivestimento o per crearne di nuovi stampando anche materiali diversi in sequenza, non consentito dalle tecnologie a letto di polvere. La tecnologia può essere utilizzata come processo di fabbricazione additiva per creare parti 3D con elevata flessibilità progettuale, dove i singoli strati sono depositati uno sopra l’altro, per creare un nuovo prodotto a forma libera. Una geometria complessa tridimensionale richiede o un materiale di supporto o una testa di deposizione multi-asse. Gli elementi che costituiscono una tipica stazione di lavorazione laser per processi di deposizione diretta sono:

– Testa di deposizione, utilizzata per rilasciare il materiale sul substrato, integra un ugello per polvere o filo montato su un braccio a più assi, un sistema ottico, tubi per il gas inerte e in alcuni casi dei sensori. L’ugello, collegato all’ultimo giunto del braccio, grazie alle possibilità di movimento del robot dovute ai giunti, può essere posizionato a piacere in uno spazio tridimensionale.

– Sistema di focalizzazione. La focalizzazione del fascio laser in vicinanza del pezzo da lavorare avviene per trasmissione tramite una lente.

– Sorgente laser in fibra attiva. E’ il dispositivo che genera il fascio con le caratteristiche desiderate. Sono molti i fattori riguardanti il fascio che influenzano la lavorazione e che dipendono direttamente dalla sorgente come la potenza del fascio, la lunghezza d’onda della radiazione e l’emissione continua o impulsata.

Una volta generato, il fascio raggiunge la zona di lavorazione del pezzo attraverso un sistema di trasporto in fibra ottica. La fibra ottica è costituita da un’anima a sezione circolare in materiale trasparente al fascio laser contenuta in una guaina esterna. Il fascio laser viene immesso da un lato della fibra e fuoriesce dall’altra estremità. Il funzionamento delle fibre ottiche si basa sul fenomeno della totale riflessione interna della luce che si ha quando un fascio luminoso viene rifratto. Il trasporto in fibra è la modalità più comoda e semplice per far giungere il fascio nella zona di lavorazione. Grazie alla sua flessibilità, la fibra ottica, consente di fornire tutti i gradi di libertà necessari alla lavorazione senza le difficoltà legate al perfetto allineamento richiesto dal sistema di trasporto mediante specchi. A seconda della tipologia di materiale utilizzato le attrezzature in supporto alla lavorazione variano; il processo per polvere necessita di un adduttore, mentre la lavorazione per filo richiede un trainafilo.

– Adduttore: permette di trasportare, con l’ausilio di un gas inerte, polveri di metallo all’interno della macchina.

– Spingifilo: il suo compito è quello di rettificare il filo d’apporto, disposto su una bobina, spingerlo in maniera regolare e costante verso l’ugello per poi essere posizionato nel punto desiderato della zona di lavoro.

– Unità di raffreddamento. E’ sempre presente una unità di raffreddamento denominata chiller, in grado di smaltire il calore sviluppato dalla sorgente durante la generazione del fascio. Tramite acqua fredda, il chiller raffredda la fibra e le ottiche (lenti e specchio), che sono le zone principalmente soggette al surriscaldamento.

Nella maggior parte delle applicazioni laser è anche presente un sistema di movimentazione, in grado di generare un moto relativo tra fascio e pezzo. In alcuni casi si preferisce movimentare il pezzo rispetto al fascio, in altri viceversa, in altri ancora si adotta una soluzione mista.

Principi fondamentali del processo di stampa diretto (Direct Energy Deposition)

La tecnologia Laser Metal Deposition o Direct Energy Deposition è una procedura additiva che utilizza principalmente polveri metalliche, secondariamente filo metallico, applicati in strati per riparare componenti metallici esistenti o per crearne di nuovi. Il processo utilizza il laser per creare un bagno di fusione superficiale sul materiale di base.

Direct energy deposition

Wire additive manufacturing

La polvere metallica nell’immagine direct energy deposition o il filo nell’immagine wire additive manufacturing, il gas di protezione e il laser vengono simultaneamente erogati attraverso un ugello. La polvere viene trasportata verso e attraverso l’ugello usando un gas inerte che permette al materiale di essere soffiato nel percorso del fascio laser. Il materiale viene depositato selettivamente, solo dove è necessario. L’energia del laser fonde parzialmente le particelle di metallo, che si fondono completamente a contatto con il bagno di fusione creando così un legame metallurgico tra la polvere e il substrato. Il processo prevede lo spostamento del substrato o del laser per permettere al bagno di fusione di solidificarsi e di produrre così una piccola zona rialzata di metallo solido (traccia). Le tracce risultanti, depositate strato dopo strato, generano prodotti in metallo per diverse applicazioni completamente personalizzabili. I tassi di accumulo e quindi le velocità di elaborazione sono elevati, insieme si traducono in tempi di produzione più rapidi e costi più bassi, non solo quelli associati ai rifiuti materiali, in quanto caratterizzati da un rapporto Buy-To-Fly già limitato.

ASTM International, “F2792-12a – Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies,” Rapid Manuf. Assoc., pp. 10–12, 2013.” Directed energy deposition, n—an additive manufacturing process in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.”