I difetti inattesi hanno spesso ostacolato i progressi della produzione additiva laser, che utilizza polveri e laser per stampare oggetti metallici in tre dimensioni. I metodi di monitoraggio tradizionali, come le immagini termiche e gli algoritmi di apprendimento automatico, soffrono di limitazioni significative. Spesso trascurano alcuni difetti o li interpretano in modo errato, ostacolando la produzione di precisione e impedendo a settori chiave come quello aerospaziale e automobilistico di trarre vantaggio da questa tecnologia. E se fosse possibile rilevare i difetti in tempo reale sulla base delle differenze nei suoni emessi dalla stampante quando si stampa una stampa perfetta rispetto a una con irregolarità? Finora gli specialisti ritenevano che un tale metodo di rilevamento fosse inaffidabile. I ricercatori del Laboratory of Thermomechanical Metallurgy (LMTM) della Facoltà di Ingegneria e Tecnologia dell’EPFL hanno ora messo in discussione questa ipotesi.
La fattibilità e l’efficacia del monitoraggio acustico della produzione additiva laser erano ancora oggetto di dibattito. I nostri studi confermano la sua importanza e ne sottolineano i vantaggi rispetto ai metodi tradizionali.
Roland Logé, Direttore del Laboratorio di Metallurgia Termomeccanica (LMTM)
Come funziona la produzione LPBF?
La produzione LPBF è un processo all’avanguardia che sta rivoluzionando la fabbricazione di prodotti metallici. In sostanza, utilizza un laser ad alta intensità per fondere meticolosamente minuscole particelle di polvere metallica e produrre oggetti metallici tridimensionali e multistrato. La LPBF è simile alla versione metallica della stampa 3D convenzionale, ma con un tocco di sofisticazione in più. Utilizza un sottile strato di polvere metallica microscopica, con uno spessore che va da quello di un capello umano a un piccolo granello di sale (15.100 um). Il laser si muove sullo strato per creare modelli specifici per fusione sulla base di un piano digitale. Questa tecnica consente di creare pezzi unici e complessi, come strutture reticolari o geometrie particolari, riducendo al minimo gli scarti e i rifiuti. Questo metodo promettente presenta tuttavia una serie di difficoltà.La polvere metallica si evolve tra le fasi liquida, gassosa e solida sotto l’effetto del laser, creando il cosiddetto "bagno fuso". Il processo può talvolta fallire a causa di variabili quali l’angolo del laser o la presenza di specifici attributi geometrici nella polvere o nel pezzo. Questi problemi, noti come "instabilità inter-regime", possono talvolta portare a transizioni tra due modalità di fusione, il regime di "conduzione" e il regime di "buco della serratura". Nei regimi instabili di keyhole, la polvere fusa che penetra nel pezzo più in profondità del previsto genera cavità porose che possono trasformarsi in difetti strutturali nel prodotto finito. Per facilitare la misurazione della larghezza e della profondità del bagno di fusione dalle immagini a raggi X, l’Image Analysis Hub del Centro di Imaging dell’EPFL ha sviluppato un approccio che facilita la visualizzazione dei piccoli cambiamenti associati al metallo liquido, nonché uno strumento per annotare la configurazione del bagno di fusione.
Rilevamento acustico di questi difetti
Nell’ambito di una joint venture tra l’Istituto Paul Scherrer (PSI) e i Laboratori Federali Svizzeri per le Prove e la Ricerca sui Materiali (Empa), il team dell’EPFL ha sviluppato un concetto sperimentale che combina esperimenti di radiografia operatoria con misure di emissione acustica. Gli esperimenti sono stati condotti sulla linea di fascio TOMCAT della Swiss Light Source del PSI utilizzando la stampante LPBF miniaturizzata sviluppata dal gruppo di Steven Van Petegem. La combinazione con un microfono estremamente sensibile posizionato nella camera di stampa ha permesso di individuare chiari spostamenti del segnale acustico durante le transizioni tra i regimi e quindi di identificare direttamente i difetti durante la produzione.Una tappa fondamentale del progetto è stata l’introduzione di una tecnica di filtraggio adattativo da parte di Giulio Masinelli, esperto di elaborazione dei segnali dell’Empa. Masinelli sottolinea che "questo approccio di filtraggio ci permette di comprendere con una chiarezza senza precedenti la relazione tra i difetti e la firma acustica che li accompagna". A differenza degli algoritmi convenzionali di apprendimento automatico, che sono eccellenti nell’estrarre la struttura dai dati statistici ma sono piuttosto calibrati per gestire situazioni già note, questo approccio fornisce una comprensione più ampia della fisica dei regimi di fusione, offrendo al contempo una precisione temporale e spaziale superiore.
Con questo programma di ricerca, l’EPFL sta aggiungendo informazioni preziose al campo della produzione additiva laser. I risultati hanno implicazioni significative per le potenziali applicazioni industriali, in particolare nel settore aerospaziale e dell’ingegneria di precisione. Lo studio rafforza la reputazione della Svizzera per le sue competenze meticolose e la sua produzione precisa e sottolinea l’importanza di processi produttivi coerenti. Evidenzia inoltre il potenziale del rilevamento e della correzione precoce dei difetti per migliorare la qualità dei prodotti. Il professor Logé conclude che "questo programma di ricerca pone le basi per una migliore comprensione e un miglioramento del processo di produzione, che a lungo termine porterà a una maggiore affidabilità dei prodotti".
