{"id":1082,"date":"2018-10-23T14:39:13","date_gmt":"2018-10-23T14:39:13","guid":{"rendered":"http:\/\/applicazioni-laser.it\/?p=1082"},"modified":"2018-10-25T07:48:04","modified_gmt":"2018-10-25T07:48:04","slug":"selective-laser-melting-di-componenti-in-rame-puro-per-applicazioni-ad-alta-conducibilita-termica-ed-elettrica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.publiteconline.it\/applicazioni-laser\/selective-laser-melting-di-componenti-in-rame-puro-per-applicazioni-ad-alta-conducibilita-termica-ed-elettrica\/","title":{"rendered":"Selective Laser Melting di componenti in rame puro per applicazioni ad alta conducibilit\u00e0 termica ed elettrica"},"content":{"rendered":"

Il rame puro, finora, \u00e8 risultato uno dei metalli di pi\u00f9 difficile lavorazione con il processo di Selective Laser Melting. Una nuova risposta a questo complicato quesito tecnologico, per\u00f2, giunge oggi da AddMe Lab. del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano<\/strong> nell\u2019ambito del progetto regionale MADE4LO, aprendo la strada verso la produzione di componenti ad alte prestazioni in rame puro attraverso il SLM.<\/p>\n

di M. Colopi, L. Caprio, A. G. Demir, B. Previtali<\/em><\/p>\n

<\/p>\n

Negli ultimi anni i processi di Additive Manufacturing stanno conquistando a grandi passi numerosi settori dell\u2019industria. Questo grazie alla loro capacit\u00e0 di andare oltre i limiti delle tecnologie convenzionali rispondendo alla costante necessit\u00e0 di processi in grado di costruire componenti sempre pi\u00f9 avanzati e performanti. \u00c8 proprio l\u2019estrema flessibilit\u00e0 la vera rivoluzione alla base del successo di queste nuove tecnologie, le quali stanno ridefinendo il concetto stesso di progettazione di un componente. Svincolandola dalle limitazioni tecnologiche imposte dai processi sottrattivi, le tecnologie additive permettono di focalizzare la fase di design del componente sull\u2019ottimizzazione delle sue prestazioni nell\u2019applicazione finale. A tal proposito, emblematico \u00e8 il caso del rame puro nelle applicazioni industriali basate sullo scambio termico e\/o elettrico: in tali applicazioni, l\u2019adozione di tecnologie additive come il Selective Laser Melting, potenzialmente garantirebbe un significativo incremento dell\u2019efficienza dei componenti finali, ma al contempo, sino a oggi, il rame puro \u00e8 risultato uno dei metalli di pi\u00f9 difficile lavorazione con questo processo. Una nuova risposta a questo complicato quesito tecnologico, per\u00f2, giunge oggi da AddMe Lab. del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano [1] nell\u2019ambito del progetto regionale MADE4LO [2], aprendo la strada verso la produzione di componenti ad alte prestazioni in rame puro attraverso il Selective Laser Melting.<\/p>\n

Perch\u00e9 l\u2019SLM di rame puro?<\/strong>
\nIn numerose applicazioni industriali, in settori quali l\u2019automotive, l\u2019aerospace, ma anche la produzione di potenza e l\u2019elettronica, le performance in termini di efficienza nel trasferimento di energia termica o elettrica dipendono tanto dalle propriet\u00e0 del materiale impiegato, quanto dalle forme scelte nella progettazione del componente stesso. Per questo tipo di applicazioni il materiale di riferimento \u00e8 il rame puro grazie alle sue propriet\u00e0 chimico-fisiche caratterizzate da un\u2019elevata conducibilit\u00e0 sia termica che elettrica. Pertanto, al fine di spingere le prestazioni di questo tipo di componenti ai massimi livelli, occorre un processo come il Selective Laser Melting, il quale \u00e8 in grado di conciliare la creazione di geometrie complesse, concepite per massimizzare l\u2019efficienza dello scambio energetico, con elevate precisione e risoluzione di tipo dimensionale.
\nNel Selective Laser Melting un fascio laser \u00e8 utilizzato come sorgente termica concentrata per fondere localmente uno strato di polvere metallica e costruire il componente desiderato layer dopo layer. Il processo parte dalla modellazione digitale del prodotto finale, il modello prodotto viene poi convertito in una sequenza di sezioni sovrapposte di spessore definito e ogni sezione costituir\u00e0 la traiettoria da scansionare con il laser sul corrispondente layer di polvere. La costruzione vera e propria del componente parte da un substrato su cui \u00e8 steso uniformemente il primo layer di polvere, in seguito un fascio laser \u00e8 focalizzato sullo strato di polvere e mosso nel piano per mezzo di una testa scanner riproducendo la traiettoria corrispondente alla prima sezione del modello. La polvere metallica micrometrica, localmente esposta alla radiazione laser, fonde e risolidifica rapidamente cos\u00ec da creare un cordone continuo con una parziale rifusione del materiale sottostante (in questo caso il substrato). Terminata la scansione, l\u2019intero piano di lavoro trasla in basso di una distanza corrispondente allo spessore di un layer e un nuovo strato di polvere viene steso per poter essere scansionato creando la sezione successiva del modello. Grazie all\u2019impiego del laser e alla sua precisione, l\u2019SLM si configura come uno strumento efficiente per creare feature di piccole dimensioni, quali potrebbero essere delle alettature, e canali ad asse non lineare e con sezione complessa per sistemi di raffreddamento pi\u00f9 efficienti. Sebbene risultino evidenti le sue potenzialit\u00e0, nell\u2019attuale stato dell\u2019arte l\u2019impiego del Selective Laser Melting nella lavorazione di rame puro risulta quasi del tutto inesplorato. I pochi esempi di dimostratori creati con SLM provengono da Princeton Plasma Physics Laboratories [3], NASA [4], Daihen [5], Fraunhofer Institute for Laser Technology [6] e 3T-RPD [7] e sono prodotti nella maggior parte dei casi impiegando leghe di rame e non rame puro. Con quest\u2019ultime, grazie alla presenza di altri elementi di lega, il processo risulta molto pi\u00f9 stabile, ma al contempo tali leghe hanno conducibilit\u00e0 termiche ed elettriche pi\u00f9 basse rispetto al metallo puro. Questo trend, inoltre, \u00e8 confermato anche nell\u2019odierno panorama industriale, dove la maggioranza dei produttori di sistemi SLM annovera tra i metalli a catalogo solo leghe del rame e non rame puro.<\/p>\n

Difficolt\u00e0 di processo nelle lavorazioni laser del rame puro<\/strong>
\nLa limitata esplorazione del SLM di rame puro \u00e8 una diretta conseguenza delle propriet\u00e0 che rendono questo metallo cos\u00ec appetibile per le applicazioni di scambio termico. A tal proposito, infatti, provare a concentrare localmente una quantit\u00e0 di energia termica sufficiente a raggiungere una fusione continua e stabile su una polvere metallica cos\u00ec dissipativa pu\u00f2 apparire una contraddizione. Parallelamente a ci\u00f2, la costruzione di componenti in rame puro via SLM \u00e8 ulteriormente complicata dalle propriet\u00e0 ottiche di questo metallo. Come mostrato in Figura 1, il rame puro ha un assorbimento della radiazione incidente intorno al 2-3% alle lunghezze intorno a 1 \u00b5m, le quali sono quelle generalmente impiegate negli attuali sistemi SLM, che fanno uso di sorgenti in fibra attiva. Conseguentemente risulta molto difficoltoso creare una pozza fusa stabile e continua nel letto di polvere perch\u00e9 la maggior parte dell\u2019energia contenuta nel fascio laser ad un micron viene riflessa via e potrebbe danneggiare anche la sorgente stessa. Una possibile alternativa sarebbe l\u2019impiego di laser nel visibile [9 – 14] alle cui lunghezze d\u2019onda il rame presenterebbe un assorbimento molto pi\u00f9 elevato. Tali applicazioni risultano, per\u00f2, a oggi solo a livello di ricerca e ancora allo stato embrionale. Infatti, le attuali sorgenti laser nel visibile commercialmente disponibili non hanno livelli di potenza sufficienti per il processo SLM o, come nel caso delle sorgenti a diodo, producono un laser con un\u2019eccessiva divergenza riducendo la precisione e la risoluzione del processo. La presenza di perdite energetiche cos\u00ec significative sia dal punto di vista ottico che termico riduce la densit\u00e0 energetica effettivamente a disposizione della lavorazione e ci\u00f2, nel processo SLM, si riflette direttamente sulla morfologia e l\u2019integrit\u00e0 dei prodotti finali [15 – 17]. L\u2019incidenza di tali effetti \u00e8 direttamente collegata all\u2019assorbimento dell\u2019input energetico fornito dal laser nel punto di fuoco e convertito in energia termica la quale si propaga nella polvere circostante. In questa interazione, l\u2019eccellente conducibilit\u00e0 termica del rame puro, in combinazione con la sua tensione superficiale, pu\u00f2 facilmente indurre instabilit\u00e0 di Plateau-Rayleigh nel metallo fuso generato dal laser in movimento [18 – 20]. Tali instabilit\u00e0 portano il rame liquido in fase di raffreddamento a non formare un cordone continuo in grado di costruire la sezione desiderata, ma a contrarsi in porzioni sferoidali separate che ostacolano anche l\u2019uniformit\u00e0 dei layer successivi. In questo scenario, un ruolo fondamentale \u00e8 espresso dal substrato metallico utilizzato per la deposizione dei primi layer del processo costruttivo [21, 22]: generalmente nel SLM viene impiegato un substrato solido dello stesso materiale di cui \u00e8 composta la polvere al fine di avere la massima compatibilit\u00e0 chimica possibile. D\u2019altro canto, una piastra spessa di rame puro pu\u00f2 risultare deleteria essendo un solido continuo e, quindi, con una conducibilit\u00e0 termica superiore rispetto alla relativa polvere. Questo comporta che durante i primi layer, il substrato in rame, tenda a sottrarre energia termica dall\u2019intorno della pozza fusa aumentando ulteriormente le perdite e compromettendo la stabilit\u00e0 stessa del processo. Come diretta conseguenza dell\u2019insieme di tutte queste specificit\u00e0, risulta molto difficoltoso ottenere prodotti altamente densi in rame puro via SLM.<\/p>\n

Una piattaforma prototipale aperta per la sperimentazione SLM di rame puro<\/strong>
\nUna soluzione per gestire le difficolt\u00e0 connaturate all\u2019interazione laser-rame puro e incrementare la qualit\u00e0 dei manufatti prodotti via SLM in questo metallo, oggi, giunge dall\u2019AddMe Lab. del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano nell\u2019ambito del progetto regionale MADE4LO, il cui obbiettivo \u00e8 proprio investigare i limiti e le nuove prospettive della tecnologia SLM. Attualmente qui sono state prodotte piccole parti con densit\u00e0 relativa anche oltre il 99% impiegando una polvere di rame puro al 99.9% (Figura 2), un sistema prototipale chiamato Powderful 2.0 ed una sorgente laser in fibra da 1 kW singolo modo prodotta da nLIGHT. La scelta di adottare una sorgente laser da 1 kW (potenza superiore agli standard delle sorgenti impiegate negli attuali sistemi SLM) per la lavorazione del rame puro permette di introdurre nel letto di polvere una quantit\u00e0 di energia sufficiente a compensare le elevate perdite energetiche. Inoltre, la sorgente adottata \u00e8 in grado resistere alla luce contro-riflessa nella catena ottica durante la lavorazione di un metallo cos\u00ec riflettente. Le caratteristiche del sistema Powderful 2.0 sono riportate nella Tabella 1. Il prototipo auto-costruito dall\u2019 AddMe Lab. (Figura 3) funge da piattaforma aperta per il test di nuove soluzioni e materiali nell\u2019ambito del processo SLM. Contrariamente ad una macchina SLM industriale, questo sistema \u00e8 dotato di un\u2019area di lavoro ridotta concepita per condurre analisi di processo e lavorabilit\u00e0 impiegando il giusto quantitativo di polvere. In tal modo si limitano gli sprechi e la possibilit\u00e0 di alterare le polveri metalliche, aspetto particolarmente rilevante nel caso del rame puro il quale \u00e8 molto sensibile all\u2019ossidazione. A tal proposito il setup permette di gestire da computer tutte le movimentazioni e l\u2019handling del letto di polvere lavorando in una atmosfera controllata di Ar grazie ad una camera chiusa. In pi\u00f9 il sistema \u00e8 aperto e particolarmente flessibile grazie alla possibilit\u00e0 di implementare rapidamente nuove sorgenti laser, teste galvanometriche e sistemi di monitoraggio. L\u2019elevata flessibilit\u00e0 di questa piattaforma prototipale ha permesso di raggiungere questo rilevante risultato attraverso la progettazione e il test di strategie di multi-scansione, le quali consentono una migliore gestione dell\u2019input termico nel letto di polvere evitando l\u2019insorgere di instabilit\u00e0 della pozza fusa.<\/p>\n

Ricerca della finestra di fattibilit\u00e0 per SLM di Cu puro e studio degli effetti collegati al substrato adottato<\/strong>
\nLo studio \u00e8 partito dalla definizione di una finestra di fattibilit\u00e0 per il processo [23], la quale \u00e8 stata individuata esplorando ampi range di velocit\u00e0 di scansione e potenza laser considerando uno spessore del layer sia da 50 \u00b5m che da 100 \u00b5m (Figura 4). I campioni prodotti sono stati valutati visivamente facendo riferimento alla porzione centrale delle loro sezioni, i bordi delle stesse presentano sempre una maggiore porosit\u00e0 e richiedono uno studio dedicato dei parametri di processo. Da qui i campioni sono stati classificati come \u201cOK\u201d nel caso di integrit\u00e0 preservata, nella categoria \u201cDelaminazione\u201d quando \u00e8 evidente una carenza di collegamento tra layer consecutivi, \u201cVaporizzazione\u201d se l\u2019input energetico risulta eccessivo a tal punto da indurre l\u2019ebollizione del metallo e \u201cNon fusa\u201d quando l\u2019energia fornita non \u00e8 sufficiente a creare un legame tra il rame fuso e il substrato durante la scansione dei primi layer. Nell\u2019ambito della regione di fattibilit\u00e0 definita, successivamente, \u00e8 stato studiato l\u2019impatto di diversi substrati sul processo. Confrontando le densit\u00e0 apparenti misurate sui campioni prodotti, visibili in (Figura 5), \u00e8 evidente come il substrato solido abbia un\u2019influenza marcata sul processo SLM quando questo \u00e8 applicato ad una polvere di rame puro al 99.9%. Analizzando i risultati si evince l\u2019inadeguatezza della comune scelta di avere un substrato dello stesso materiale della polvere in caso si processi rame puro. Come atteso, infatti, tale substrato introduce importanti instabilit\u00e0 durante la scansione a causa della sua elevata conducibilit\u00e0 termica che porta ad un\u2019eccessiva porosit\u00e0 nei manufatti prodotti. Contrariamente, l\u2019adozione di un substrato in un materiale meno conduttivo (Tabella 2), come l\u2019acciaio inossidabile AISI 316L, limitando la naturale rapida propagazione del calore all\u2019interno del layer di polvere di rame, risulta benefica per il raggiungimento di densit\u00e0 pi\u00f9 elevate anche superiori al 95%. Tale livello di densit\u00e0 resta comunque inferiore rispetto a quelli accettabili per i manufatti SLM e, in generale, nelle applicazioni industriali. Il risultato principale emerso dall\u2019analisi, per\u00f2, \u00e8 che la qualit\u00e0 dei componenti in rame puro prodotti con SLM \u00e8 legata strettamente alla densit\u00e0 energetica utilizzata nel processo e definita come: dove P corrisponde alla potenza laser, v alla velocit\u00e0 di scansione, h alla distanza tra due linee scansionate adiacenti e z allo spessore del layer di polvere. A conferma di ci\u00f2 va evidenziato come anche piccole variazioni di questa grandezza si riflettano fortemente sulla stabilit\u00e0 della scansione.<\/p>\n

Strategie multi-passata: gestire l\u2019input energetico per raggiungere elevate densit\u00e0 nei componenti in rame puro<\/strong>
\nPartendo dal concetto che \u00e8 la densit\u00e0 energetica la chiave del SLM di rame puro, nasce l\u2019idea di combinare la riduzione della dissipazione termica dalla pozza fusa introdotta col substrato in AISI 316L, con una migliore distribuzione della densit\u00e0 energetica ottimale al fine di incrementare ulteriormente le performance qualitative. A tale scopo sono state testate differenti strategie multi-scansione in cui il fascio laser percorre due volte ogni traiettoria consecutivamente, anche con livelli di energia differenti. Questo tipo di approccio permette di pre-condizionare la polvere durante la prima scansione portandola ad una temperatura maggiore nelle aree esposte alla radiazione laser. Conseguentemente, nella seconda passata, si ha una riduzione delle perdite termiche nell\u2019intorno della pozza fusa e una minore tendenza all\u2019insorgere del fenomeno di balling grazie ai minori gradienti termici.
\nUna pi\u00f9 uniforme distribuzione della densit\u00e0 energetica ottimale per il processo, inoltre, ha effetti positivi anche dal punto di vista ottico favorendo un maggiore assorbimento della radiazione IR. Quest\u2019ultimo \u00e8 funzione della temperatura del metallo e cresce in accordo con quest\u2019ultima fino ad avere un rapido aumento in concomitanza del passaggio allo stato fuso. L\u2019introduzione di strategie multi-passata pertanto permette di portare rapidamente e in maniera pi\u00f9 stabile il rame puro a fusione, incrementando l\u2019efficienza del trasferimento energetico dal laser alla polvere. La diretta conseguenza \u00e8 un ulteriore crescita della qualit\u00e0 dei componenti finali in termini di densit\u00e0 relativa fino anche al 99% come mostrato in Figura 6, dove le sezioni di due campioni costruiti con strategie mono-scansione, rispettivamente con densit\u00e0 minore e maggiore del 95%, sono confrontati con uno multi-passata.<\/p>\n

Un dimostratore di geometrie complesse costruite con SLM di Cu puro<\/strong>
\nInfine, un ulteriore passo verso una reale applicazione industriale \u00e8 stato compiuto realizzando una geometria maggiormente complessa come quella del logo del Politecnico di Milano (Figura 7). Il dimostratore prodotto testimonia la possibilit\u00e0 di creare componenti con features complesse e sezioni sottili attraverso SLM di rame puro. Questo conferma le potenzialit\u00e0 dietro alla scelta del processo SLM per la realizzazione di componenti rivolti ad applicazioni di scambio termico ed elettrico; come visibile anche nelle micrografie, con una corretta gestione dell\u2019input energetico fornito \u00e8 possibile beneficiare dell\u2019elevata precisione e flessibilit\u00e0 di questo processo per la costruzione di strutture come canali di raffreddamento a sezione complessa o alettature. In conclusione, la scelta di una sorgente laser in fibra da 1 kW in combinazione con un substrato a ridotta conducibilit\u00e0 termica permette di raggiungere una pi\u00f9 elevata stabilit\u00e0 in un processo termo-dinamico cos\u00ec complesso, la distribuzione della quantit\u00e0 di energia ottimale fornita al letto di polvere in due scansioni successive garantisce un maggiore controllo sul processo spingendone le performance qualitative ai massimi livelli. Questo studio dimostra che oggi \u00e8 possibile produrre manufatti in rame puro attraverso SLM e pone questo processo come principale strumento per la creazione di componenti a geometria ottimizzata, aprendo la via ad applicazioni industriali di scambio elettrico o termico sempre pi\u00f9 performanti ed efficienti. Di particolare rilevanza \u00e8, inoltre, il fatto che l\u2019applicazione delle soluzioni individuate non richiede tempi di incubazione per poter essere implementata essendo, le soluzioni tecniche studiate, prontamente trasferibili sugli attuali sistemi SLM. La soluzione adottata privilegia la reperibilit\u00e0, diffusione e familiarit\u00e0 selle sorgenti laser in fibra da un micron odierne (anche in merito alla reperibilit\u00e0 dei componenti ottici a servizio del processo) a discapito della maggiore efficienza nella lavorazione di una sorgente nel visibile quale pu\u00f2 essere un laser verde. Oggetto di ulteriori indagini sar\u00e0 proprio quest\u2019ultimo aspetto ed il confronto con le pi\u00f9 popolari sorgenti in fibra continue e pulsate con lunghezze d\u2019onda da 1 \u00b5m.<\/p>\n

Ringraziamenti
\nQuesti risultati non sarebbero stati raggiunti senza il supporto dell\u2019Unione Europea, della Repubblica Italiana, della Regione Lombardia e del FESR nell\u2019ambito del progetto MADE4LO sotto la call \u201cPOR FESR 2014-2020 ASSE I – AZIONE I.1.B.1.3\u201d. Un particolare ringraziamento va a nLIGHT Inc. per aver fornito la sorgente laser e Optoprim S.r.l. per la testa scanner. l<\/p>\n

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Il rame puro, finora, \u00e8 risultato uno dei metalli di pi\u00f9 difficile lavorazione con il processo di Selective Laser Melting. 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