Dal Politecnico di Milano Fusione laser selettiva di pura Cu con un laser a fibra monomodale da 1 kW

Ricercatori utilizzano la polvere di rame puro in monocromia da 1 kW a fibra ottica e stampa 3D

A partire da ora, la fusione laser selettiva (SLM, DMLS, Powder Bed Fusion) è adatta principalmente alla stampa 3D di leghe di rame. Ma sarebbe meglio stampare rame puro (Cu), dato che è più termicamente ed elettricamente conduttivo, e mentre il metallo può essere usato in materiali funzionalmente classificati , c’è stata una ricerca condotta nel corso degli anni al fine di ottenere una produzione economica di componenti in rame puro  con tecnologia SLM.

Il Cu ha proprietà termiche che sono interessanti per le applicazioni nello scambio di calore, ma non molti scienziati hanno provato a usare la stampa 3D SLM per elaborare il Cu puro, poiché la produzione di rame basata sul laser e le sue leghe possono spesso portare a condizioni instabili

Un piccolo gruppo di ricercatori del  Politecnico di Milano ha recentemente pubblicato un documento intitolato ” Fusione laser selettiva di pura Cu con un laser a fibra monomodale da 1 kW “, che dettaglia il loro lavoro nel valutare quanto sia capace una sorgente laser a fibra ottica monomodale 1kW lavorazione pura polvere di Cu.

Cellula SLM riconfigurabile al Politecnico di Milano. I sistemi operativi impiegati nella presente ricerca sono indicati.
L’abstract recita: “Le geometrie complesse e le caratteristiche critiche ottimali consentite dalle tecnologie di fusione a letto in polvere sono molto allettanti per la produzione di scambiatori di calore. Il rame è il principale metallo di scelta per tali applicazioni. Tuttavia, la sua processabilità mediante sistemi Selective Laser Melting (SLM) è limitata dall’elevata riflettività a 1 μm, la lunghezza d’onda di emissione delle sorgenti laser comunemente utilizzate. Inoltre, l’alta conduttività del rame puro, desiderabile per l’uso finale dei prodotti, causa instabilità e difficoltà nella solidificazione del letto di polvere. Ne risulta che i componenti ad alta densità sono difficili da ottenere. In questo lavoro, un laser in fibra monomodale da 1 kW viene utilizzato per trattare la polvere di puro Cu con purezza del 99,9%. L’elevata potenza è necessaria per superare la bassa efficienza del processo a causa dell’elevata riflettività. Viene utilizzato un prototipo di macchina SLM che consente una manipolazione flessibile dei parametri di processo. Il fenomeno della densificazione è discusso così come le cause che portano alla porosità. ”
Ricercatori del passato hanno provato a utilizzare la tecnologia SLM per processare la polvere di Cu con una sorgente laser a CO2, ma non sono in grado di raggiungere densità relative superiori al 90%. In passato è stata utilizzata anche una sorgente laser a diodi blu per contribuire a rendere la polvere di Cu pura più densa, ma la qualità dei risultati non è mai stata dichiarata. I ricercatori del Politecnico di Milano hanno trattato la polvere di rame con una sorgente laser in fibra monomodale 1kW per la lavorazione della polvere di puro Cu.

“Il sistema è stato installato su un prototipo flessibile del sistema SLM e una vasta gamma di parametri sperimentali (ovvero potenza, velocità di scansione e spessore dello strato) sono stati modificati per definire la regione di stabilità del processo”, spiegano i ricercatori. “È stata quindi condotta una valutazione qualitativa del campione realizzato, con un’analisi fenomenologica delle cause che hanno determinato l’esito del processo. È stato possibile dimostrare che una vasta area di fattibilità del processo è abilitata dall’implementazione di questa nuova sorgente laser. L’analisi preliminare della sezione trasversale indica che sono possibili valori di densità relativa elevati e infine è stato realizzato un pezzo dimostrativo che mostra il potenziale della presente innovazione tecnologica. ”
Immagine SEM della polvere di rame puro con ingrandimento 500X.
Hanno usato la polvere di Cu con purezza del 99,9% dalla tecnologia LPW e, su un sistema SLM aperto sviluppato presso l’università, hanno stampato campioni cubici per determinare la regione di fattibilità del processo. Nel loro design sperimentale, i ricercatori hanno provato la stampa 3D con una vasta gamma di parametri

“In totale, questo ha comportato l’elaborazione di 70 condizioni sperimentali che sono state studiate in due stampe successive (rispettivamente per i due livelli di spessore dello strato). Il materiale di substrato scelto per la presente sperimentazione era AISI 316L, grazie alla sua compatibilità con la C pura “, hanno scritto i ricercatori. “Al fine di valutare la finestra del processo di puro Cu come funzione dei parametri di processo, è stata condotta una valutazione qualitativa degli esemplari realizzati.”
Attraverso l’analisi visiva dei campioni cubici, l’esito del processo è stato classificato in tre categorie: non fusa (sinterizzazione insufficiente del letto in polvere), delaminazione (campioni che si sono solidificati ma hanno avuto un legame insufficiente con lo strato) e accettabile.

I ricercatori hanno anche stampato in 3D un pezzo dimostrativo – il logo dell’università – per dimostrare quanto sia fattibile utilizzare la stampa 3D SLM per produrre forme complesse di pura polvere di rame. I dettagli del logo sono stati realizzati in un’area di 40 x 30 mm, con un’altezza di 4 mm; lo spessore della parete più fine ottenuto era di circa 0,4 mm.

“I risultati implicano che l’uso della lunghezza d’onda di 1 μm è fattibile nonostante l’alta riflettività del materiale se vengono impiegati alti livelli di potenza”, hanno concluso i ricercatori. “La stabilità del processo viene raggiunta a circa 600 W ad alte velocità di scansione, a dimostrazione del fatto che combinazioni di bassa velocità e bassa velocità di scansione compatibili con i sistemi SLM convenzionali non sono particolarmente adatte a questo materiale.

“In questa fase preliminare, è stata determinata la finestra di fattibilità del processo. All’interno delle condizioni di lavorazione “accettabili” è possibile produrre campioni ad alta densità (> 97%) che indicano l’efficacia della tecnologia nel raggiungere un’elevata densificazione del letto in polvere in condizioni di lavorazione stabili. Ciononostante, sono necessarie ulteriori indagini per definire il massimo valore ottenibile e stabilire la ripetibilità del processo. ”
Tuttavia, nonostante eventuali problemi, questi risultati sono promettenti, come evidenziato dal logo 3D stampato finale. Co-autori del documento sono M.  Colopi ,  L.  Caprio,  AG  Demir e  B.  Previtali.

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