Additive Manufacturing: la fabbricazione additiva tramite laser

Le tecniche di fabbricazione additiva negli ultimi anni si sono molto diffuse sia per il progressivo miglioramento dal punto di vista tecnologico che per l’abbassamento del costo della tecnologia. In aggiunta, è innegabile l’enorme flessibilità che permette questo processo se comparato alle tecnologie tradizionali ad asportazione di truciolo. In questo articolo verrà analizzato il processo di Additive Manufacturing a deposizione metallica e il ruolo centrale che la tecnologia laser ha in tale ambito.

Le tecniche di additive manufacturing

L’idea che sta alla base dell’A.M. è semplice e si basa sulla fusione di un substrato da parte di un raggio laser. Il risultato finale è un materiale depositato in un’area molto localizzata. Queste tecniche sono particolarmente utili per:

• la riparazione di componenti danneggiati;
• l’aggiunta di materiale nelle aree in cui vi è un cambio di progettazione in corso d’opera;
• la necessità di produrre pezzi con forma complessa, superando i limiti tecnologici delle macchine ad asportazione di truciolo (ad esempio, eseguendo variazioni di sezioni in aree non raggiungibili da utensili).

In pratica, questo concetto non è nuovo: in passato, nell’industria questi processi venivano eseguiti utilizzando tecniche di saldatura manuali, riportando metallo tramite saldatura a elettrodo dove c’era carenza di materiale. Un classico esempio era il riporto di materiale su stampi o elementi danneggiati, successivamente da lavorare alle macchine utensili. Tuttavia, questa è una tecnica tanto lenta quanto laboriosa e poco precisa. La vera svolta innovativa, che sta alla base del moderno metodo Additive Manufacturing, è l’uso del laser, che permette un processo automatico e preciso per aggiungere materiale con alta qualità strutturale e bassa distorsione termica.

A seconda della configurazione del processo, esistono due diverse tecniche per i processi additivi laser.

• Aggiunta di polvere che è stata precedentemente posizionata su un letto e fusa localmente da un laser, tipologia impiegata tipicamente su stampanti 3D.
• Iniezione di materiale in forma di polvere in un bagno di fusione generato in precedenza da un fascio laser. Tipicamente usato per la riparazione di componenti danneggiati che necessitano un riporto di materiale.

Stampa 3D con laser

Per quanto riguarda la prima tecnologia, esistono vari brevetti per i diversi metodi di produzione rapida, ma fondamentalmente tutti si basano su una sequenza di passaggi che si ripete.

• Iniziale stesura di un letto di polvere, di limitato spessore, per mezzo di una lama che scorre sul letto sottostante.
• Fusione locale tramite il fascio laser che viene orientato da un sistema di specchi solo sui punti d’interesse (dove effettivamente si vuole aggiungere materiale al pezzo).
• Abbassamento verticale della tavola di un piccolo step.

Questo processo permette di ottenere parti 3D completamente funzionali, anche con buone finiture superficiali senza dover ripassare il pezzo alle macchine utensili per asportazione di truciolo. I materiali lavorati possono essere polimeri, come il nylon, o varie leghe metalliche, incluso anche il titanio. Infatti, queste tecniche si basano sul concetto di prototipazione rapida, ma perseguono l’obiettivo della produzione rapida, dove l’unico dato di input è il modello CAD 3D e il risultato è la parte finita.

Riparazione di componenti con laser cladding

Per quanto riguarda la seconda tecnologia, il materiale può essere depositato su parti già esistenti e/o già lavorate, il che costituisce un grosso vantaggio. La base di questo processo, noto come “rivestimento laser” (o in inglese “laser cladding”), consiste nell’iniettare il materiale aggiunto: si utilizza un ugello esterno, che dirige il materiale in polvere direttamente nel bagno di fusione su cui si concentra il laser. A seconda del tipo di ugello e della dimensione dello spot del fascio, il processo può essere eseguito su grandi aree o zone localizzate. Anche in questo caso esistono sul mercato diverse soluzioni protette da brevetto sviluppate dai vari costruttori.

Questo metodo può essere applicato a manufatti in ceramica, leghe di titanio, nichel, cobalto o acciaio inossidabile. Un campo d’applicazione di questa tecnologia è la riparazione di elementi già esistenti che sono incappati in fenomeni di usura e in cui non sarebbe vantaggioso produrre da zero un nuovo manufatto. Esempi di manufatti lavorati con questa tecnica sono: turbine ad alta e bassa pressione prodotte in leghe di nichel, pale in titanio o, in generale, parti ad alta complessità e ad alto valore aggiunto.

Per questo articolo sono state consultate queste fonti:

J Paulo Davim, “Modern Machining Technology, A Practical Guide”, 2011