SLS (parte II)

Un problema che si pone sono le caratteristiche dell'oggetto prodotto tramite SLS rispetto allo stesso oggetto prodotto con tecniche tradizionali (vedi). In particolare:

• La densità dell'oggetto (presenza di porosità interne)
• La qualità delle superfici esterne dell'oggetto
• Le proprietà meccaniche dell'oggetto
• La microstruttura interna
• Gli stress residui

Fig. 1 Schema che mostra in sezione il processo di SLS

Densità
L'obiettivo è quello di ottenere degli oggetti fabbricati con tecnica SLS aventi densità  100% (pari alla densità ottenuta con tecniche di fusione tradizionali). Questo obiettivo è difficile da ottenere in quanto il processo avviene in assenza di pressione meccanica ed il materiale fuso riempie le cavità solo per effetti termici, gravità e capillarità. Inoltre delle bolle di gas create dalla fusione possono rimanere intrappolate nel materiale creando della zopne di vuoto.
La densità ottenibile dipende da due serie di parametri:

1. Parametri di controllo del processo.
2. Parametri del materiale utilizzato.

I parametri di controllo di processo utilizzabili sono:

1. Lo spessore dell strato di polvere (w mm)
2. La potenza istantanea del laser (P Watt)
3. La misura del diametro dello spot (d mm)
4. La velocità di scansione (v mm/sec)
5. La spaziatura tra i vari pasaaggi di scansione (h mm)

La densità di energia fornita dal laser può essere definita come:

(1)     Q = (pi * eta * P)/(4*d*v) [Ws/mm3]

Con pi = pi greco e eta = efficienza di accoppiamento - cioè la quantità di energia laser che viene ceduta alla polvere come energia termica. In ogni passaggio di scanning esiste una sovrapposizione con il passaggio precedente. La frazione di sovrapposizione è definita come:

(2)    O = d/h  [%]

Quindi la densità di energia fornita per passaggio di scansione è data da:

(3)   Q = (pi * eta * P)/(4*v*h*w) [J/mm3]

Se definiamo psi = input energetico totale per ogni singolo passaggio:

(4)  psi = P/(v*h*w) [J/mm3]


Si ricava, per l'energia:

(5)  Q = (pi*eta°psi)/4  [J/mm3]

psi è direttamente proporzionale a P (potenza istantanea del laser) ed inversamente proporzionale a v (velocità di scansione), h (spaziatura tra i vari passaggi di scansione) e w (spessore dello strato).
Oltre a questi parametri di controllo di processo, esiste un altro insieme di parametri che sono legati al materiale utilizzato. In particolare:

1. Capacità termica del materiale utilizzato (C J/kg °K)
2. Calore latente di fusione del materiale (H J/kg)
3. Densità relativa del materiale (ro )
4. Frazione vuota massima(etab ) - massima percentuale di vuoto nel materiale
5. Frazione vuota minima(etas) - minima percentuale di vuoto ottenibile nel materiale

 Se chiamiamo eta la frazione di vuoto residua nel materiale dopo il processo di SLS, possiamo definire un parametro detto densificazione come:

(6)   D = (eta - etab)/(etas - etab)

Cioè D=1 quando il processo riesce ad ottenere la frazione di vuoto minima possibile: in questo caso la densificazione è massima.
Sperimentalmente, nel caso di SLS con fusione completa, si è trovata la relazione:

(7)  ln(1 - D) = -K*psi 

Cioè la densità del materiale è ricavabile come funzione di psi, parametri di processo,  e di K chiamato coefficiente di densificazione, e che riunisce in sè tutti i parametri relativi al materiale.
Dato un materiale ( e quindi fissato K) per controllare la densità dell'oggetto risultante si può agire sul valore di psi, ossia sulla potenza istantanea del laser, sulla velocità di scansione, sullo spessore dello strato di polvere e sulla spaziatura tra i vari passaggi di scansione.

Qualità della superficie

La qualità superficiale ottenibile con la tecnica di Sinterizzazione Laser è considerata uno dei principali svantaggi del processo. Sono disponibili un certo numero di tecnologie di post processamento per superare questa difficoltà (metodi meccanici, metodi chimici e processi termici). La rifusione superficiale laser (Laser Surface Re-melting - LSR) consente di migliorare l'aspetto delle superfici senza muovere il pezzo dallo spazio di lavoro.
La qualità di parti fabbricate con tecniche SLS e poi trattate con LSR mostrano un significativo miglioramentio in termini di riduzione di rugosità misurata. La tecnica consiste nel ripassare sulle superfici gia fuse con un set di parametri diverso (potenza del laser e velocità di scansione).