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Additive Manufacturing e 3d: la tecnica dell’Electron Beam Melting

La fusione a fascio di elettroni è una tecnica di stampa 3D che sta spopolando. Qui, una descrizione dettagliata di una tecnologia molto diffusa in ambito aerospaziale ed energetico.

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L’Additive Manufacturing (AM) attraverso la tecnica di fusione a letto di polvere a fascio di elettroni (EBM) ha riscosso un interesse crescente per la produzione di materiali difficili da lavorare. Tramite questa tecnica di Additive Manufacturing è possibile ottenere pezzi quali pale di turbine ad esempio. Un’attenzione particolare è riferita all’ottimizzazione dei parametri di processo che consentono a questa tecnica di Additive Manufacturing di migliorare l’integrità meccanica del pezzo finito. 

Additive Manufacturing: cos’è l’ electron beam melting 

La definizione fornita dall’ASTM è la seguente: “L’Additive Manufacturing è un processo di unione di materiali per realizzare oggetti solidi 3D, partendo da dati di un modello, generalmente strato per strato, in opposizione alle tecnologie sottrattive (lavorazioni tradizionali: tornitura, fresatura, ecc.).“ Le lavorazioni di Additive Manufacturing si basano su cinque fasi che sono: 

  • Creazione del modello CAD; 
  • Generazione del file.stl; 
  • Definizione degli strati; 
  • Produzione; 
  • Processi di finitura. 

Tra le varie tecnologie di Additive Manufacturing, quella a fascio di elettroni (EBM) è una delle tecnologie maggiormente utilizzate in ambito aerospaziale. L’Additive Manufacturing agisce, tramite la tecnologia EBM per mezzo di un fascio di elettroni che proietta su un letto di polvere metallica il layer di stampa. Le particelle metalliche, sollecitate dal flusso di elettroni, si fondono e solidificano tra di loro. Tutto il processo avviene sottovuoto a temperature di circa 1000°C.                                                                                                                                                                       

Additive Manufacturing: come avviene la fusione a fascio di elettroni 

In questa particolare tecnica di Additive Manufacturing, un filamento di tungsteno è posto in una griglia, o anodo. Una corrente viene applicata al filamento il quale viene riscaldato a 2200 – 2700 K. Gli elettroni sono collimati e accelerati da un campo elettrico che si genera tra il filamento (catodo) e l’anodo, ad un’energia di oltre 60 keV, in tal modo viene generato un e-beam che scorre lungo il cosiddetto tubo. La potenza del fascio può arrivare fino a 3KW.

Nel tubo vi sono delle lenti magnetiche. La prima lente serve a correggere l’astigmatismo, ossia serve per generare un e-beam circolare con una distribuzione di energia gaussiana. La seconda lente è la lente di messa a fuoco che focalizza il fascio in un piccolo spot di 0,1 mm. Infine, la lente di deflessione scansiona l’e-beam attraverso l’area di costruzione. Nella camera di costruzione avviene il processo di costruzione. All’interno della camera ci sono 2 contenitori per la polvere. 

Additive Manufacturing EBM macchina
Additive manufacturing macchina ebm

Sotto i contenitori c’è il tavolo di costruzione. Il tavolo di costruzione è l’area dove la polvere viene sparsa dal rastrello. Il rastrello sparge la polvere sul tavolo da costruzione. Al centro del tavolo di costruzione si trova la piattaforma di costruzione, la quale si muove lungo l’asse z mentre la costruzione procede. 

Parametri di processo EBM Additive Manufacturing

Tra i parametri principali di questa tecnica di Additive Manufacturing ci sono: 

  • Tensione di accelerazione Va 
  • Corrente del fascio Ib 
  • Velocità di scansione Vs 
  • Spessore dello strato di polvere tl 
  • Temperatura di preriscaldamento Tpr 

La densità energetica è uno dei parametri di riferimento di questa tecnica di Additive Manufacturing. Essa viene calcolata come in formula: 

E= (𝑉𝑎 𝐼𝑏)/(𝑉𝑠 ℎ 𝑡𝑙)  (J/m³)   

La Densità energetica dipende fortemente dalla potenza Pa, calcolata come prodotto tra l’intensità di corrente e la tensione di accelerazione. Solitamente si agisce sulla corrente del fascio che va da 1 a 50 mA, lasciando costante la tensione di accelerazione a 60Kv. Ma anche dalla Velocità di scansione, parametro che può essere impostato agendo sulla corrente che alimenta la bobina della lente di deflessione. 

Additive Manufacturing e-beam

Impostare correttamente i parametri ha effetti benefici sulla porosità del pezzo finale, quindi sulla qualità del prodotto di Additive Manufacturing.  

EBM parametri di processo
Additive Manufacturing parametri di processo

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Pregi Electron Beam Melting EBM

  • Il pezzo finito presenta caratteristiche fisico-meccaniche non riproducibili con i sistemi a laser. Questo è dovuto al fatto che in questa particolare tecnica di Additive Manufacturing, il processo EBM, viene eseguito ad alta temperatura. Infatti, il fascio viene defocalizzato sulla piastra di costruzione facendo arrivare tale temperatura fino a 750°(Tpr). L’elevata temperatura di costruzione aiuterà a prevenire l’accumulo di tensioni residue nel pezzo finito. 
  • Il processo avviene sottovuoto. Il vuoto è necessario perché gli elettroni interagiscono con gli atomi gassosi, se presenti, e vengono deviati. L’uso del vuoto è comunque vantaggioso per il processo, poiché il vuoto impedirà le reazioni tra i metalli reattivi, per esempio il titanio, con i gas atmosferici, come l’ossigeno. Inoltre il vuoto funge da isolante e aiuta a mantenere la temperatura del processo elevata. L’unica tecnica di Additive Manufacturing la quale utilizza il vuoto per ottenere risultati vantaggiosi è proprio l’EBM.
  • Recupero quasi totale delle polveri inutilizzate. Particelle leggermente sinterizzate circondano la parte completamente solida e fusa. Questo eccesso di polvere sarà rimosso usando il cosiddetto Powder Recovery System (PRS). Nel PRS, la stessa polvere usata per la costruzione viene usata per spazzare via la polvere sinterizzata che circonda il pezzo finito. Tutta la polvere eliminata dalla parte viene riciclata nel processo ancora una volta e la perdita di materiale è minimo.
Rimozione polvere sinterizzata
Additive manufacturing rimozione polveri
  • Solitamente è una tecnologia più veloce delle altre. Dai 3 ai 7mm in altezza ogni ora.  

Difetti Electron Beam Melting  

Come ogni tecnica di Additive Manufacturing, ha dei “contro”, tra cui:

  • Pochi materiali a disposizione. Tra cui Alluminuro di Titanio Ti6Al4V, Inconel 718 NiFe, lega composta Cromo Cobalto Molibdeno CrCoMo.  
  • Occorre personale altamente specializzato  
  • Elevato costo dei macchinari  
  • Rugosità peggiore rispetto ad altre tecniche, dovuta anche alla dimensione della polvere. La ragione della morfologia superficiale più ruvida nel processo EBM è che essa è anche influenzata dalla dimensione dello spot. La dimensione dello spot è a sua volta influenzata dalle bobine magnetiche che modellano il fascio di elettroni. La dimensione dell’e-beam sarà anche influenzata dall’accumulo di carica negativa che ha luogo nel processo. 

Additive Manufacturing: fattori di disturbo nel processo di EBM

Ottimizzare i parametri di processo, vuol dire evitare fattori di disturbo quali l’effetto “Balling” e l’effetto “Smoking”. Nell’Additive Manufacturing, la non-ottimizzazione, potrebbe portare al fallimento del processo di stampa.   

  • L’effetto Balling: si tratta della formazione di sfere fuse, presenti nella maggior parte delle tecniche di Additive Manufacturing, le quali si formano sulla superficie, rovinando le caratteristiche del materiale. Dipende dalla velocità di scansione e dalla temperatura di pre riscaldamento. Un elevata velocità di scansione ed una bassa temperatura di pre riscaldamento aumentano l’effetto Balling. 
Effetto Balling
Effetto Balling Additive Manufacturing
  • Effetto “Smoking”: a causa della carica negativa dell’elettrone che bombarda la superficie, il letto di polvere si caricherà se esiste una conduzione inferiore tra le particelle di polvere e il terreno. Se la carica diventa troppo alta e le forze negative di repulsione tra le particelle di polvere diventano maggiori della forza gravitazionale e delle forze di attrito che le tengono in posizione, le polveri creeranno una nuvola all’interno della camera, “fumo”. Un altro effetto dell’accumulo di carica negativa è il rischio di deflessione dell’e-beam, con conseguente diminuzione della precisione del fascio e dello spot diffusione. Un ruolo importante è svolto dalla Tpr, infatti, la temperatura elevata sinterizza leggermente le particelle di polvere che circondano la parte finita completamente fusa. Una polvere leggermente sinterizzata aiuterà ad aumentare la conduttività tra i singoli grani di polvere, diminuendo il rischio di fumo. Questo aspetto è tipico di questa tecnica di Additive Manufacturing.

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