Oggi molti oggetti vengono già prodotti con processi di stampa 3D. Questa tecnologia di produzione additiva ha trovato spazio nell’industria aerospaziale e automobilistica, ad esempio, ma anche in medicina. Per i metalli e le materie plastiche, viene spesso utilizzato un processo chiamato fusione laser a letto di polvere, o in breve LPBF. In questo processo, il materiale viene applicato sotto forma di polvere fine a una piastra di costruzione, il raggio laser passa sopra la polvere, la fonde e la porta alla forma desiderata. Segue il successivo strato sottile di polvere, che il laser fonde nuovamente. In questo modo il componente cresce strato dopo strato.
Ciò che accade esattamente durante la fusione laser a letto di polvere è già stato studiato utilizzando i raggi X presso la Synchrotron Light Source Switzerland SLS del PSI e presso altri istituti, ma questi approfondimenti microscopici hanno finora fornito solo immagini bidimensionali. "Volevamo fare un passo avanti e seguire il processo di produzione in 3-D", spiega Malgorzata Makowska, scienziata dei materiali del PSI. Invece di immagini bidimensionali a raggi X, i ricercatori volevano produrre tomogrammi tridimensionali, a una velocità che permettesse loro di stare al passo con il raggio laser. Ma per farlo, dovevano ruotare il campione durante la produzione e seguire questo rapido movimento rotatorio con il laser - una sfida importante. Il team è riuscito a farlo per la prima volta, come riportato nella rivista Communications Materials.
Il magnete stabilizza la polvere del precursore in rotazione
Per gli esperimenti i ricercatori hanno utilizzato l’ossido di alluminio. Questo materiale ceramico è utilizzato in molti modi, ad esempio nell’industria chimica per i componenti esposti ad alte temperature, nell’ingegneria elettrica come isolante o in medicina per gli impianti. Tuttavia, poiché questo materiale è molto duro e fragile, la produzione di forme complesse con la tecnologia convenzionale comporta grandi difficoltà. "Se si potessero stampare tali componenti, sarebbe molto più facile", afferma il fisico del PSI Steven Van Petegem: "Tuttavia, oggi è ancora molto difficile ottenere un materiale completamente denso e la microstruttura desiderata quando si stampa l’ossido di alluminio".Gli esperimenti condotti sulla linea di fascio tomografica SLS TOMCAT hanno fornito nuove informazioni sul promettente processo di produzione. In questo caso, il campione in esame ruotava a una velocità di 50 hertz (3000 giri al minuto) mentre il laser passava sulla polvere. Adattare il processo di stampa a questa rotazione estremamente veloce è stata una delle principali difficoltà che i ricercatori hanno ora superato. Il risultato è stato raggiunto impedendo al materiale in rotazione di allontanarsi a causa delle forze centrifughe. Un magnete ha fissato la polvere di ossido di alluminio, a cui era stata aggiunta una piccola quantità di ossido di ferro magnetico. Il magnete è stato bloccato sotto il campione in un piccolo cilindro sperimentale del diametro di tre millimetri.
Das Video zeigt, wie sich das Probenpulver unter dem Einfluss des Lasers zum PSI-Schriftzug verfestigt. (Video: Paul Scherrer Institut/Malgorzata G. Makowska)
"Grazie alla veloce telecamera GigaFRoST, uno sviluppo interno del PSI, e a un microscopio altamente efficiente, è stato possibile scattare un centinaio di immagini 3D al secondo durante il processo di stampa", spiega la scienziata della linea di fascio Federica Marone. Queste immagini hanno mostrato cosa è successo alla polvere durante il trattamento laser. "Per la prima volta abbiamo visto direttamente il volume fuso in 3D", spiega Makowska. La forma di questo cosiddetto bacino di fusione ha sorpreso i ricercatori. Quando hanno aumentato l’energia del laser, infatti, non si è formata alcuna depressione sulla superficie della fusione, come previsto. "Al contrario, la massa fusa si è allargata come una frittella e la superficie era più o meno piatta", spiega la scienziata dei materiali.
Stampare la microstruttura desiderata
I ricercatori hanno anche potuto seguire la formazione di fori e cavità durante la solidificazione del materiale, un aspetto importante per le applicazioni future. "Normalmente si vuole avere un materiale liscio, bello e con una microstruttura definita. Ma per certe applicazioni è auspicabile anche una certa porosità", spiega Makowska, e Van Petegem aggiunge: "Speriamo che con i nostri esperimenti possiamo imparare di più sul processo di stampa e trasmettere questa conoscenza in modo che un giorno possa avere applicazioni pratiche, anche se la strada è ancora lunga". L’aggiornamento dell’SLS, che inizierà presto, e le nuove linee di fascio TOMCAT 2.0, che entreranno in funzione nel 2025, amplieranno ulteriormente le possibilità attuali. "Sarà possibile studiare materiali più densi con una risoluzione spaziale e temporale più elevata, il che è fondamentale per l’ulteriore sviluppo della tecnologia LPBF", afferma Christian Schlepütz, scienziato della linea di fascio.Lo studio è stato condotto in collaborazione con il centro di competenza tecnologica Inspire AG, il Politecnico di Zurigo e l’Empa. È stato finanziato dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica come progetto Spark. L’idea di questa ricerca è stata il seguito del progetto Fuorclam, lanciato nel 2017 nell’ambito del programma Strategic Focus Area (SFA) Advanced Manufacturing. In quell’occasione è stata istituita la Strategic Focus Area Advanced Manufacturing, alla quale collaborano le istituzioni del settore ETH. "I vari progetti ci hanno dato l’opportunità di conoscere tutti i gruppi di ricerca sulla produzione additiva e la stampa 3D in Svizzera", afferma Van Petegem. "Si tratta di un tema straordinariamente importante per il futuro, che la Svizzera ha riconosciuto".
Testo: Barbara Vonarburg
