Studiare l ’ interazione laser / materiale
PER OTTENERE UNA COMPLETA FUSIONE DELLE POLVERI EVITANDO DIFETTOSITÀ DI VARIA NATURA È INDISPENSABILE COMPRENDERE COME IL LASER INTERAGISCE CON IL MATERIALE , E DEFINIRE DI CONSEGUENZA I PARAMETRI DI LAVORO OTTIMALI
di Paolo Minetola , Professore Associato di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione presso DIGEP ( Dip . Ingegneria Gestionale e della Produzione ) del Politecnico di Torino contenente metallo in fase liquida , dipendono dai principali parametri di processo quali la potenza e la velocità di scansione del laser , la dimensione dello spot , la distanza tra le tracce e lo spessore dello strato di polvere . La dimensione dello spot del laser è una caratteristica del sistema di fabbricazione additiva per la fusione su letto di polvere ed è fissa . Lo spessore dello strato dipende dalla granulometria della polvere ed è un valore che è possibile fissare a priori . Considerando la potenza del laser e la velocità di scansione come uniche variabili , si può rappresentare la finestra di processo ( fig . 1 ) che indica l ’ area delle combinazioni dei parametri che forniscono parti completamente dense . Con elevata potenza del laser , ma scarsa velocità di scansione , si provoca un surriscaldamento della pozza fusa che genera porosità all ’ interno del foro di penetrazione ( keyhole ). Al contrario , con bassa potenza del laser ed elevata velocità di movimentazione dello spot non si ottiene una densità di energia sufficiente a fondere completamente lo strato di materiale metallico . Infine , quando entrambe potenza e velocità di scansione sono elevate , si genera un fenomeno di instabilità capillare che è funzione della tensione superficiale della pozza fusa e genera la separazione di gocce di metallo fuso ( effetto “ balling ”).
Il processo di fusione laser su letto di polvere è attualmente il principale processo impiegato per la fabbricazione additiva di componenti metallici di piccola o media dimensione , fino a mezzo metro di ingombro . Per assicurare il successo e la qualità della produzione di pezzi con questa tecnologia è fondamentale conoscere come l ’ interazione tra il laser e la polvere metallica è influenzata dai principali parametri di processo . L ’ impostazione di parametri ottimali è molto importante per evitare elevata variabilità nei risultati , problemi nelle lavorazioni di finitura dei pezzi , necessità di costosi controlli non distruttivi e dunque costi più elevati associati anche ad una maggior percentuale di scarti . sufficiente a fondere lo strato corrente , ma anche parzialmente lo strato sottostante , per garantire una struttura solida completamente densa . La forma e la profondità della pozza fusa ( melt pool ),
INSTABILITÀ E VARIABILITÀ DI PROCESSO In particolare , è importante considerare l ’ effetto della velocità sull ’ instabilità della pozza fusa . Nella zona in cui il laser fonde e interagisce con il
I PRINCIPALI PARAMETRI DI PROCESSO Nella fabbricazione del singolo strato , un raggio laser in fibra della potenza di qualche centinaio di chilowatt viene movimentato e focalizzato in un piccolo punto ( spot ) del letto di polvere per fornire una densità di energia tale da portare a fusione le particelle metalliche . Questa energia deve essere
Finestra di processo per la fusione laser su letto di polvere al variare della potenza e della velocità di scansione del laser .
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