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).

SLS (parte I)

SLS = Selective Laser Sintering (Sinterizzazione Laser Selettiva) è un processo di fabbricazione a strati successivi che permette di generare oggetti in 3 dimensioni costruendoli mediante successivi strati di materiale in polvere che vengono deposti uno sopra all'altro.
Il legame del materiale (binding) avviene avviene fornendo energia termica attraverso un raggio laser focalizzato.
La tecnologia SLS viene utilizzate in diversi ambiti:

• Prototpazione rapida (Rapid Prototyping RP) : viene realizzato un prototipo utilizzato per studiare le caratteristiche dimensionali dell'oggetto finale.
• Fabbricazione rapida (Rapid Manufacturing RM) : viene realizzato direttamente l'oggetto finale
• Fabbricazione rapida di intermedi (Rapid Tooling RT) : viene realizzato il tool intermedio (esempio stampo per estrusioni in plastica) necessario a produrre gli oggetti finali.

La classificazione dei processi RT e RM può essere fatta in base a diverse categorie.

1. Tipo di materiale utilizzato (plastica, metallo, ceramica o compositi)
2. Tipo di meccanismo di legame realizzato

La figura seguente mostra i diversi meccanismi di legame che possono essere coinvolti nella tecniche di SLS

(tratto da http://utwired.engr.utexas.edu/lff/symposium/proceedingsArchive/pubs/Manuscripts/2004/2004-06-Kruth.pdf)


Il tipo di legame realizzato dipende dal tipo di materiale utilizzato. In particolare:

• SSS = Sinterizzazione allo Stato Solido: detta TF la temperatura di fusione del materiale, il processo SSS avviene a temperatura comprese tra TF/2 e TF. Tali temperature non sono in grado di portare il materiale in fusione, ma danno avvio ad una serue di reazioni chimiche e fisiche (di cui la più importante è la diffusione) che portano alla creazione di ponti di collegamento tra i vari granuli di materiale.
• Legame indotto chimicamente: in questo caso l'impulso laser fornisce energia bastante a ditruggere i legami chimici dei composti. Gli elementi liberati si ricombinano chimicamente a formare nuovi legami che tengono insieme i granuli.
• LPS = Liquid Phase Sintering (Sinerizzazione in fase liquida - fusione parziale): in questo caso si utilizzano dei composti che sono una miscela di meteriale strutturale e materiale legante. L'energia fornita dal raggio laser è sufficiente a fondere il legante ( o parte di esso) che in tal modo tiene assieme i granuli di materiale strutturale.
• Fusione completa : in questo caso il materiale viene completamente fuso e, raffreddandosi, forma nuovi legami che solidifucano la forma. Questo tipo di legame permette di avere materiali più densi (con poche microcavità interne) e con caratteristiche fisiche e meccaniche comparabili con quelle ottenute con altri tipi di lavorazioni meccaniche (fusione + lavorazioni meccaniche sottrattive)

Manifesto

MANIFESTO DELLA FABBRICAZIONE DEL XXI SECOLO

‘Sii pigro come una volpe‘. Invece di risolvere i problemi sempre daccapo, adotta ed adatta soluzioni trovate dagli altri, e poi dà credito agli inventori originari.

Progetta con materiali e componenti che sono ragionevolmente economici da acquistare, a basso impatto e totalmente riciclabili o biodegradabili. Usa matetriali di cui c'è abbondanza in giro e che puoi produrre da te.

Un progetto è rivoluzionario quando abbassa la soglia di accesso. Progetta sistemi che possono essere assemblati con un minimo di esperienza o abilità, e senza l'utilizzo di attrezzi complicati.

Come regola generale, progetta per il clima, la cultura, e l'ambiente economico e legale in cui vivi e che conosci meglio. Gli altri saranno poi in grado di adattare il progetto al loro ambiente particolare.

Condividi il tuo lavoro il più possibile, ti tornerà indietro con gli interessi. Al minimo avrai contribuito a risolvere un problema comune.

E' più facile inviare delle ricette che delle torte o dei biscotti. John Maynard Keynes. Semplicemente usa Internet per scambiere idee che eliminano la necessità di trasportare oggetti.

Progetta per disassemblare. Più è facile smontare un oggetto o sostituire una sua parte meglio è. Utilizza una progettazione modulare.

Progetta a prova di errore. Tenta di progettare dei componenti che o rendono impossibile all'assemblatore finale sbagliare oppure sono progettati in modo tale che non importa se l'assemblatore commette uno sbaglio.