Il laser Direct Metal Sintering (DMLS) è un processo di produzione additivo ampiamente adottato che fabbrica componenti metallici complessi direttamente dai modelli 3D digitali. Il processo utilizza un laser ad alta potenza per fondere selettivamente metallo in polvere, strato per strato, in parti dense e funzionali. Un elemento critico in quasi ogni costruzione DMLS è l'uso di strutture di supporto, elementi sacrificali temporanei che tengono la parte in posizione e gestiscono gli stress termici durante la stampa.

Comprendere la funzione delle strutture di supporto in DMLS

Le strutture di supporto in DMLS non sono solo impalcature, ma svolgono diverse funzioni meccaniche e termiche distinte, essenziali per le costruzioni di successo. Senza supporti adeguati, le parti possono sperimentare la deformazione, la delaminazione o l'insufficienza esterna.

Gestione termica e dissipazione del calore

Durante la sinterizzazione laser, la polvere metallica viene rapidamente riscaldata e poi raffreddata. Questo ciclo termico genera gradienti di temperatura ripidi e tassi di espansione differenziali tra strati appena solidificato e la massa sottostante. Se il calore non può essere condotto via efficientemente, si accumulano tensioni residue, che portano a distorsioni o crepe. Supporti agiscono come dissipatori di calore, canalizzando l'energia termica in eccesso nella piastra di costruzione e impedendo il surriscaldamento localizzato.

Supporto Geometrico di stabilità e sovratensione

Il DMLS costruisce parti strato per strato dal basso verso l'alto. Qualsiasi caratteristica che proietta verso l'esterno ad un angolo superiore a circa 45 gradi dal verticale - noto come sporgenza - richiede il supporto. Senza di esso, la polvere non sinterizzata sotto non può contenere il metallo fuso in posizione, causando la caratteristica di sag o collasso.

Adesione del livello e prevenzione della delaminazione

Il restringimento termico e il ciclo di raffreddamento rapido possono creare forze di taglio che sollevano strati appena sinterizzati, un fenomeno noto come curling. I supporti tengono la parte giù fisicamente e termicamente, riducendo la tendenza dei bordi a ripiegare verso l'alto. Ciò è particolarmente critico per pareti sottili o geometrie con bassa rigidità. Inoltre, i supporti possono essere utilizzati per rafforzare le regioni del risultato di impedire che l'esperienza di stress ad alto residuo.

I riscontri di pesante affidabilità sulle strutture di supporto

Mentre i supporti sono spesso necessari, vengono con una serie di svantaggi che aumentano i costi e riducono l'efficienza del processo. Capire questi svantaggi è il primo passo verso la progettazione per un uso minimo di supporto.

Aumento del consumo e dei costi dei materiali

Le strutture di supporto sono realizzate con la stessa polvere di metallo della parte stessa. Ogni millimetro cubico di materiale di supporto aggiunge al costo della costruzione. In molti casi, i supporti possono rappresentare il 10% al 40% della polvere totale utilizzata. Poiché le polveri metalliche per DMLS sono costose (ad esempio, titanio, Inconel, acciaio inossidabile), il volume di supporto riduce direttamente la spesa materiale. Inoltre, la polvere che circonda i supporti deve essere utilizzata con un ulteriore tampone termico.

Tempi di costruzione estesi

Poiché il laser deve sinterizzare sia la parte che i supporti, è necessario un ulteriore tempo di scansione. I volumi di supporto più grandi indicano tempi di stampa più lunghi, che si traduce in un minore rendimento della macchina e un costo più elevato per parte. I supporti di reticolo delicati possono richiedere velocità di scansione più lente per evitare il surriscaldamento, allungando ulteriormente la costruzione.

Post-processsing Burden

La rimozione delle strutture di supporto da parte delle parti finite è un passo molto intenso e spesso manuale. Le tecniche includono il filo EDM, la segatura a bande, la rettifica o la rimozione manuale con pinze. Questo post-elaborazione aggiunge tempo e costi, e in molti casi danneggia la qualità superficiale nei punti di fissaggio. Dopo la rimozione, le aree di contatto devono essere finite – spesso con la lavorazione o la lucidatura – per ripristinare la finitura superficiale richiesta.

Finitura superficiale e problemi di integrità

Se il supporto è in contatto con la parte, la finitura superficiale è tipicamente ruvida e può contenere piccole sporgenze o segni di testimonianza. Questi blemi richiedono ulteriori operazioni di finitura, aumentando il tempo di ciclo e le spese. Nelle applicazioni ad alte prestazioni come gli impianti aerospaziali o medici, tale rugosità può essere inaccettabile. Inoltre, la rimozione impropria del supporto può creare concentrazioni di stress o micro-crack, compromettendo l'integrità meccanica della parte finale.

Strategie chiave per ridurre le strutture di supporto

Ridurre la dipendenza dal supporto richiede una combinazione di modifiche di progettazione, ottimizzazione dei processi e strumenti software avanzati. Le seguenti strategie sono dimostrate per ridurre i requisiti di supporto, mantenendo il successo di costruzione.

Ottimizzazione dell'orientamento parziale

L'orientamento di una parte sulla piastra di costruzione è il fattore più influente che influisce sulle esigenze di supporto. Ruotando e inclinando la parte, i sporgenti possono essere minimizzati o convertiti in angoli autoportanti. Ad esempio, orientare una parte in modo che i ponti lunghi e non supportati siano stampati ad un angolo ripido (~45°) possano eliminare completamente i supporti.

Progettazione di geometrie auto-sostenibili

La produzione additiva consente la libertà geometrica, ma non tutti i progetti sono supportati. L'applicazione delle regole di progettazione-per-additive-manufacturing (DfAM) può ridurre drasticamente le esigenze di supporto.

  • Implementare i fosfori e i filetti[[] agli angoli interni per ridurre le concentrazioni di stress e consentire angoli autoportanti.
  • Utilizzando pareti angolate[[] piuttosto che gocce verticali; un angolo di 45° o più ripido è generalmente autoportante, anche se 50-60° offre un margine maggiore.
  • Aggiunta di fori a forma di diamante o a goccia[[]] invece di quelli circolari in orientamento orizzontale, che richiederebbero supporti sopra l'arco superiore a 90°.
  • Integrazione di costole o gussets incorporate[] che possono supportare le caratteristiche sporgenti temporaneamente fino a quando non sono fusi al corpo principale.
  • Progettazione per l'accumulo di strati continui[[] evitando cambiamenti improvvisi nell'area trasversale che causano shock termico.

Queste modifiche geometriche devono essere bilanciate con requisiti funzionali; in molti casi, un piccolo investimento nel riprogetto consente di risparmiare ingenti materiali di supporto e post-elaborazione.

Ottimizzazione Topologia e Lattice

L’ottimizzazione della topologia (TO) è un metodo computazionale che distribuisce il materiale proprio dove necessario per soddisfare i percorsi di carico, spesso con forme organiche e di supporto. Per evitare naturalmente sporgenze taglienti e favorisce strutture di trus autoportanti. Molti algoritmi TO ora includono “spegnimento sovrastante” che forzano la geometria generata ad essere costruibile senza supporti o con il supporto minimo.

Strumenti di simulazione e software avanzati

Il software specializzato per la simulazione di processo DMLS consente agli ingegneri di prevedere sollecitazioni termiche, distorsioni e requisiti di supporto prima della stampa. Strumenti come Autodesk Netfabb[], ]Materialise Magics], e ] Identificare le proprietà di rimozione di fase non necessarie (Dasault Systmes

Approcci ibridi e multimateriali

Alcune macchine DMLS ora offrono la possibilità di stampare con diverse polveri nella stessa costruzione, o di combinare DMLS con altri processi come la lavorazione. Gli approcci multimateriali possono utilizzare una polvere più economica e facilmente rimovibile per i supporti (ad esempio, una lega a basso punto di fusione) che possono essere fusi in seguito.

Progettazione per la produzione additiva (DfAM) Principi per la riduzione del supporto

L'adozione di pratiche complete di DfAM è la strategia a lungo termine più efficace per ridurre i supporti. DfAM integra i vincoli di produzione nel processo di progettazione precoce, non come un ripensamento.

  • I gruppi di consolidamento[[] in singoli pezzi stampati riducono la necessità di supporti per fissare più componenti.Le parti inferiori significano meno supporti e più facile rimozione della polvere.
  • Incorporando le caratteristiche della piastra di costruzione[[] come la presa o la localizzazione di superfici che permettono di orientare le parti per i supporti minimi senza compromettere la funzionalità.
  • Utilizzando il design generativo[[]] per esplorare migliaia di varianti che soddisfano gli obiettivi di performance minimizzando gli sbalzi.
  • Progettazione per canali interni[[[]] con sezioni incrociate autoportanti, ad esempio, utilizzare profili rettangolari o diamantati al posto dei cerchi, per evitare supporti all'interno dei canali di raffreddamento o linee di raffreddamento conformi.
  • Spessore parete di base[[]] per evitare aree sottili e non supportate che potrebbero frenare.

Le aziende che investono nella formazione e nel software DfAM spesso riportano le riduzioni del volume di supporto del 30-70%, insieme a riduzioni comparabili nel tempo di costruzione e nel lavoro post-elaborazione.

Tecnologie emergenti Ridurre le esigenze di supporto

Poiché la tecnologia DMLS matura, diverse innovazioni stanno rendendo i supporti meno necessari, e in alcuni casi, obsoleti.

Stampa multiassia e non-placca

Le nuove macchine con capacità di geometria multiasse (ad esempio, stadi a 5 assi) possono inclinare la piattaforma di costruzione o ruotare la testa laser, permettendo che gli sbalzi siano stampati in un orientamento più favorevole senza un supporto effettivo.

Polvere e Binders di metallo senza supporto

I progressi della scienza dei materiali stanno producendo polveri con coefficienti di espansione termica più bassi e una maggiore stabilità della piscina di fusione, riducendo la necessità di supporti. Il getto di binder seguito da sinterizzazione (un processo diverso) evita intrinsecamente i supporti perché la parte verde è gestita in un letto a polvere.

Generazione e controllo dinamico del laser

I sistemi Closed-loop possono regolare la potenza laser, la velocità di scansione e la strategia di scansione per ridurre le sollecitazioni termiche, consentendo così di ridurre i supporti più sottili e meno. Alcuni studi hanno dimostrato che utilizzando algoritmi di supporto volumetrico possono tagliare il volume di supporto del 50% mantenendo la qualità dei componenti.

Conclusioni

Le strutture di supporto sono un male necessario nel DMLS, ma non devono dominare i costi e la complessità della produzione additiva dei metalli. Comprendendo le loro funzioni, la gestione termica, la stabilità geometrica e l'adesione dei strati, gli ingegneri possono prendere decisioni informate su dove i supporti sono realmente necessari.