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Monday, 18 Dicembre 2017

Additive manufacturing e finitura superficiale: impatto sulle prestazioni del componente finale

Il Selective Laser Melting contribuisce efficacemente a superare le difficoltà tecnologiche associate alla presenza di canali interni complessi, pareti sottili ed elementi con asimmetrie assiali nella produzione di ugelli che convogliano il gas d’assistenza nel taglio laser.

di Marco Anilli, Ali Gökhan Demir e Barbara Previtali

Novembre 2017

La richiesta sempre crescente di qualità elevata per i profili realizzati tramite taglio laser, specialmente in modalità di lavoro come il taglio 3D, ha dato impulso all’ipotesi di realizzare geometrie non assialsimmetriche per gli ugelli che convogliano il gas d’assistenza. L’obiettivo principale è quello di compensare, attraverso geometrie interne degli ugelli appositamente studiate, le alterazioni fluidodinamiche del flusso di gas, che intercorrono quando la testa laser e il pezzo vengono messi in movimento reciproco complesso nello spazio. A causa della particolare conformazione di queste geometrie, si rende necessario lo studio di un nuovo ciclo produttivo rispetto alla tornitura, tecnica usata per la produzione di ugelli da taglio laser convenzionali: una tecnologia additiva basata sulle polveri metalliche come il Selective Laser Melting (SLM) può contribuire efficacemente a superare le difficoltà tecnologiche associate alla presenza di canali interni complessi, pareti sottili ed elementi con asimmetrie assiali. Tuttavia, essendo la rugosità superficiale in condizioni as-built il punto debole tipicamente connesso con  l’additive manufacturing delle polveri metalliche, si rende necessaria una strategia di finitura per le superfici interne, con notevole impatto sulle prestazioni del componente finale.

Obiettivo del lavoro e collaborazione Polimi - Extrude Hone
L’obiettivo di questo lavoro è la costruzione di una catena di produzione e qualifica per ugelli da taglio laser ottenuti via SLM, partendo dalla replicazione di due modelli convenzionali selezionati, mostrati in Figura 1. Una collaborazione nata tra il laboratorio di tecnologie additive AddMe Lab, presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano ed Extrude Hone (Holzgünz, Germania) azienda specializzata in processi di finitura superficiale di componenti metallici, ha permesso di studiare una strategia di finitura superficiale di pezzi additive prodotti tramite SLM, con particolare attenzione a canali e geometrie interne complesse, che combina due processi: abrasive flow machining (AFM) e un processo elettrochimico (ECM) denominato CoolpulseTM.
Il Politecnico di Milano, in particolare nel laboratorio AddMe Lab, è oggi in grado di condurre ricerca accademica e industriale in ambito additivo DED (Direct Energy Deposition) e SLM. Durante questo lavoro, i seguenti task sono stati sviluppati:
-Indagine dell’effetto dei parametri di processo SLM sulla geometria e le dimensioni degli ugelli.
-Ottimizzazione dei parametri con lo scopo di mettere a punto una strategia di stampa ottima in termini dimensionali e geometrici per i prototipi finali.
-Analisi della morfologia superficiale dei pezzi in condizione as-built e dopo finitura.
-Qualifica delle prestazioni finali: nelle due condizioni di finitura superficiale e il benchmark, costituito dagli ugelli standard.
Extrude Hone, grazie alla lunga esperienza nel campo della finitura e superfinitura di componenti metallici, sta recentemente ampliando il proprio orizzonte di ricerca e sviluppo verso soluzioni specifiche per componenti realizzati tramite additive manufacturing. Nel corso del lavoro, i seguenti obiettivi sono stati fissati e raggiunti:
-Scelta dei processi di finitura più adatti a materiali e geometrie considerate.
-Sviluppo e realizzazione ad hoc dell’attrezzaggio per i pezzi.
-Test preliminari di taratura dei parametri di processo.
-Definizione e qualifica della strategia di post-processo della superficie interna.

Set-up sperimentale
La stampa SLM degli ugelli è stata realizzata con una Renishaw AM250 (a sinistra in Figura 2). La macchina è equipaggiata con un laser in fibra SPI R4, lunghezza d’onda 1070 nm, che lavora in regime impulsato tramite modulazione di potenza ed è focalizzato sulla superficie dello strato di polvere. La potenza è pari a 200 W, il diametro del fuoco misura 70 μm e la durata dell’impulso è di 80 μs.  L’intero processo si svolge in atmosfera di Ar, con una frazione di ossigeno inferiore a 1.000 ppm, e il massimo volume di lavoro della macchina è pari a 245 x 245 x 300 mm (X,Y,Z).
Le prestazioni di taglio degli ugelli sono state caratterizzate sul centro di taglio combinato lamiera-tubo BLM Group LC5, rappresentato a destra in Figura 2. La macchina è equipaggiata con un laser in fibra da 6 kW IPG Photonics e lavora con una testa Precitec ProCutter (diametro fibra 100 μm, lente di collimazione 100 mm e focale da 200 mm). La macchina è in grado di lavorare su lamiere piane di dimensioni massime 3.000 x 1.500 mm e tubi fino a 120 mm di diametro e 6.000 mm di lunghezza.
Come anticipato, la finitura delle superfici interne è stata condotta in due fasi, schematizzate in Figura 3: la prima è costituita dalla finitura della sezione conica superiore degli ugelli, utilizzando una macchina per ECM Extrude Hone CoolpulseTM (Figura 4 a sinistra). Il processo si basa su un fenomeno di dissoluzione anodica, durante il quale l’anodo è la parte da finire ed è stato utilizzato un catodo costruito con geometria dedicata (Figura 3 a sinistra). L’elettrolita è denominato ES-G 8020 e la macchina è dotata di un sistema di filtraggio e di controllo della temperatura della soluzione.
La seconda fase del processo prevede di finire il tratto cilindrico prossimo alla punta dell’ugello tramite AFM, eseguito con Extrude Hone EcoFlow, a destra in Figura 4. Il processo, come schematizzato in Figura 3 a destra, prevede il flusso in pressione di un mezzo viscoelastico caricato con particelle abrasive di carburo di silicio: ciò ha permesso di raggiungere le sezioni interne più piccole degli ugelli e la rugosità superficiale migliora grazie a un fenomeno di abrasione. La macchina è in grado di esercitare pressioni sull’abrasivo nel range 3 - 20 MPa e di movimentare una portata di abrasivo fino a 4,1 dm3/min. Il sistema di fissaggio dei pezzi può alloggiare pezzi di altezza massima pari a 250 mm, su un area di lavoro di 809 x 838 mm.

Risultati
Dopo un processo di ottimizzazione geometrica degli ugelli in relazione a orientazione di stampa delle parti sul substrato e compensazione laser (beam compensation), i prototipi finali sono stati stampati con orientamento a 90°, come mostrato in Figura 5, e beam compensation di 80 μm. L’angolazione scelta ha prodotto i migliori risultati in termini di rotondità dei fori, mentre la compensazione ha permesso un adeguato controllo sulle dimensioni nominali del diametro degli stessi, indicate in Figura 1.
La rugosità interna Ra, in qualità as-built, si attesta a un valore medio attorno ai 14 μm (Figura 6 a destra) e, nonostante l’elevata variabilità attorno alla media tipica delle superfici ottenute tramite SLM, si è dimostrata essere connessa con l’orientamento di stampa. Da questo punto di vista, la stampa a 90° ha restituito valori inferiori di rugosità as-built rispetto ad altre angolazioni. In Figura 6, a sinistra, si osservano le sezioni di due ugelli SLM prima e dopo la finitura, affiancati a un ugello standard: dopo finitura, è stata rilevata una riduzione della rugosità attorno all’80% rispetto alla condizione di partenza (Figura 6 a destra).
In Figura 6 sono riportate le mappe a colori associate alla rugosità interna della superficie additive per tre diverse condizioni e suddivise nelle due zone di lavoro dei processi di finitura, come schematizzato in Figura 7: as-built, nella sezione conica dell’ugello (Figura 6-a) e nel canale cilindrico finale (Figura 6-c), dopo finitura per ECM della superficie conica (Figura 6-b) e dopo AFM nel canale finale (Figura 6-d). In ciascuna immagine sono riportati i valori di rugosità misurati lungo la direzione del flusso di gas nell’ugello. Osservando le due immagini a sinistra in Figura 6 è possibile, inoltre, notare come le particelle sinterizzate sulla superficie interna degli ugelli producano una mappa a colori molto disomogenea.
Le prestazioni di taglio degli ugelli sono state valutate in termini di rugosità dei profili di taglio, misurate su campioni ottenuti da lamiere in acciaio a basso tenore di carbonio di due spessori: 1 mm, tagliate in azoto con ugelli a camera singola, e 5 mm con taglio in ossigeno e doppia camera. In Figura 9 si può osservare un ugello additive montato sulla testa da taglio laser Precitec ProCutter, utilizzata per queste prove.
I profili di taglio sono mostrati in Figura 10 per lo spessore 1 mm e in Figura 11 per i 5 mm. Riguardo i primi, i valori di rugosità misurata riportati in Figura 12 a sinistra e associati a ugelli in finitura superficiale as-built, denotano la dipendenza della qualità di taglio dalla direzione seguita dalla testa nel piano. Ciò è dovuto in parte all’elevata rugosità interna degli ugelli e in parte alla sinterizzazione della polvere all’interno del tratto cilindrico affacciato alla bocca dell’ugello, la quale produce un profilo del foro molto frastagliato e irregolare. Dopo finitura invece, si può notare come la rugosità del profilo tenda a essere più uniforme e, in generale, comparabile con quella ottenuta impiegando ugelli standard. Con riferimento alla Figura 12, nel grafico a destra si può notare come conclusioni simili valgano anche per gli ugelli a camera doppia: non compaiono nell’analisi gli ugelli in finitura as-built, in quanto i tagli eseguiti con questi sono risultati solo parziali o falliti.
In Figura 11 si possono osservare le superfici dei profili ottenuti con taglio in ossigeno: la buona finitura superficiale tipica di questa modalità di taglio e il limitato fenomeno di striatura è mantenuta nei tagli eseguiti con ugelli additive dopo finitura interna.

Conclusioni
In questo lavoro si è sperimentato l’utilizzo del selective laser melting (SLM) come tecnologia produttiva per geometrie non assialsimmetriche, canali complessi e pareti sottili, associate in particolare a ugelli da taglio laser. Essendo la finitura superficiale un ambito di ricerca di particolare importanza nelle tecnologie additive delle polveri di metallo, è stata messa a punto una strategia di post-processo dedicata a geometrie interne e si sono analizzate le prestazioni operative dei componenti in relazione al livello di finitura interna. La combinazione di due processi di finitura eseguiti in serie, ECM e AFM, ha permesso una riduzione della rugosità attorno all’80%, passando da valori tipici di Ra associati a processi come la colata in sabbia a un massimo di 3 μm. Inoltre, la qualità di taglio prodotta sui profili di campioni ottenuti con due modalità di lavoro, valutata in termini di rugosità della parete, è risultata essere legata al livello di finitura interna degli ugelli utilizzati. In qualità as-built, la rugosità del profilo è legata alla direzione di taglio, mentre dopo finitura dell’ugello questa tende a essere uniforme e, ancora più importante, comparabile a quella ottenibile con ugelli standard. Questo evidente impatto della finitura interna degli ugelli sulle loro prestazioni è ancora più marcato per le più complesse geometrie della camera doppia: in questo caso, il post-processo della superficie è risultato determinante per la funzionalità dei componenti, infatti in nessun caso è stato completato un taglio utilizzando un ugello in qualità as-built. Nuovamente, la qualità ottenuta sui profili dopo la finitura è comparabile con quella proveniente da ugelli standard.
In conclusione, questo lavoro ha permesso di sviluppare una catena di produzione, finitura e qualifica delle prestazioni per ugelli da taglio laser con geometria interna complessa. Si è dimostrata, in particolare, l’importanza della finitura interna sulla funzionalità dei componenti, valutata in termini di qualità del profilo di taglio ottenuto. La replica di due modelli convenzionali di ugelli da taglio ha consentito di avere il termine di paragone per tutte le valutazioni precedenti: i risultati ottenuti aprono alla possibilità di studio e sviluppo di geometrie dedicate, come anticipato, a modalità di lavoro come il taglio 3D.

Ringraziamenti
Gli autori ringraziano il Gruppo BLM, per aver contribuito allo sviluppo del laboratorio AddMe Lab e del sistema di taglio laser presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, ed Extrude Hone, per le conoscenze e le attrezzature messe a disposizione durante lo sviluppo di questo lavoro.
Si ringrazia inoltre Regione Lombardia in ambito Made4lo, Metal Additive for Lombardy - Accordi per la Ricerca e l’Innovazione POR FESR 2014-2020. Il presente lavoro è stato realizzato con il contributo della Provincia Autonoma di Trento, attraverso la Legge Regionale 6/98.

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