Riutilizzo di polveri metalliche per

l’additive manufacturing

Andrea Penna

Application Engineer, Renishaw SpA

• Società leader mondiale nel

campo della metrologia fondata

nel 1973.

• Competenza nei campi della

misura, del controllo del

movimento, della spettroscopia e

delle lavorazioni meccaniche di

precisione.

• L’acquisizione di MTT nel 2011 ha

reso Renishaw l’unica azienda

produttrice di sistemi di Additive

Manufacturing in UK.

Renishaw

70 uffici

32 nazioni

> 4000 impiegati

Renishaw nel mondo

Centri per l’AM

Sede della Divisione Prodotti AM

Locali da 8500 m2 da marzo 2015, che

includono:

• Ampia area R&D.

• Solution centre come parte del processo

di vendita.

• Centro per la formazione.

• Supporto alle filiali.

• È indispensabile comprendere a fondo

l’argomento per industrializzare il processo.

• La materia prima deve essere affidabile per

garantire ripetibilità e prevedibilità.

• Le caratteristiche della polvere e i parametri della

macchina sono strettamente collegati.

Perché studiare il riutilizzo di polveri per l’AM?

Perchè il titanio?

Lega Ti-6Al-4V

Elevato rapporto

resistenza/pesoAlta resistenza

alla corrosione

45 % più leggero

dell’acciaio€€€€€

Buy to fly ratio

20kg Titanio in billette

1 kg polvere di Titanio

1 kg

Componente

in Ti

AM

Lavorazione meccanica

tradizionale

19 kg scarto di

Ti

Sistema AM250

AM250

Massimo volume di

costruzione

245 x 245 x 300 (x,y,z) mm

(z estendibile a 360 mm)

Velocita di

costruzione*Da 5 cm³/h a 20 cm³/h

Spessore layer Da 20 a 100 µm

Diametro del fascio

laser

70 µm sulla superficie del letto di

polvere

Opzioni laser 200 W o 400 W

Alimentazione elettrica 230 V 1PH 16 A

Consumo di energia 1.6 kWh

Consumo di gas < 30 l/h

* La velocità di costruzione dipende dal materiale, dalla densità e dalla geometria, non tutti i materiali vengono

prodotti alla stessa velocità.

Generazione dell’atmosfera inerte nell’AM250

Gli impianti AM Renishaw sono unici per il metodo con cui viene

create l’atmosfera inerte. Tutti i sistemi Renishaw possono essere

utilizzati per processare materiali reattivi.

1. Viene creato il vuoto, approssimativamente 1 atm inferiore alla pressione

atmosferica:

• Serve per rimuovere aria e umidità dall’intero sistema

2. La camera di processo viene riempita con ~600 litri di argon ad alta

purezza.

3. L’atmosfera è mantenuta al di sotto di 1000ppm (0.1%) di ossigeno e può

lavorare al di sotto di 100ppm (0.01%) per il titanio (Ti6Al4V) e altre leghe.

Il consumo di gas è tipicamente <30 L/h e la fusione laser inizia

all’incirca dopo 10 minuti l’avvio del ciclo.

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della polvere

non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciata

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della polvere

non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciata

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della polvere

non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciata

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della polvere

non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciataApertura per il recupero della polvere

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della

polvere non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciata

Bottiglie per

catturare la

polvere

recuperata.

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della polvere

non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciata

Polvere di overflow

utilizzata

Polvere di overflow

setacciata

Ciclo di riutilizzo delle polveri

1. Riempimento del silo

2. Atmosfera inerte

3. AM

4. Raccolta della polvere

non fusa

5. Setacciatura

6. Riutilizzo di polvere

setacciata

Caratteristiche della polvere - Chimica

Elemento %

Ti Grade 5 Ti Grade 23 (ELI)

Ossigeno 0.20 0.13

Azoto 0.05 0.03

Carbonio 0.08 0.08

Idrogeno 0.0125 0.0125

Alluminio 5.5 - 6.75 5.5 - 6.50

Vanadio 3.5 - 4.5 3.5 - 4.5

Interstiziali

Elementi

leganti

Caratteristiche della polvere - Fisiche

Scorrevolezza

PSD – distribuzione della

dimensione delle particelle

Forma

Densità/Impaccamento

La scorrevolezza è importante per

ottenere strati consistenti, ed è

direttamente influenzata dalla PSD,

dall’impaccamento e dalla forma delle

particelle.

• Capsula per catturare la polvere

• Provino di trazione e provino per la densità

• 20 build di routine utilizzando lo stesso lotto di

polvere di Ti nella stessa macchina AM

Procedura sperimentale

Analisi della polvere Analisi del build

Ossigeno e azoto Trazione

PSD Densità

Scorrevolezza Capsula per

catturare la

polvereProvino di

trazione

Provino per

la densità

Risultati sperimentali - elementi interstiziali

Massimo livello di ossigeno

per il Ti grade 23

Massimo livello di azoto per il

Ti grade 23

Trend in aumento costante.

Trend in aumento costante.

Risultati sperimentali - elementi interstiziali

Massimo livello

per il Grade 23

Massimo livello

per il Grade 5

Analisi della

polvere

Risultati sperimentali - Distribuzione delle particelle, PSD

Build 16 • Nessun trend

generale nella PSD

all’aumentare del

numero di build.

• I build 11 e 16

hanno

rispettivamente una

distribuzione più

larga e più stretta.

Build 11

Risultati sperimentali - Scorrevolezza

La scorrevolezza

inizialmente aumenta

durante i primi 5 build, in

seguito si nota una

generale diminuzione.

Risultati sperimentali – Prove di trazione

Carico di rottura

Carico di snervamento

• Dopo 20 build la polvere non è cambiata

significativamente, sia in termini di elementi

interstiziali che di proprietà fisiche.

• I risultati indicano un potenziale di riutilizzo

molto più elevato.

• La corretta gestione delle polveri e il loro

immagazzinamento in atmosfera controllata

sono essenziali.

• I risultati dovranno essere validati da ulteriori

indagini che prevedano il mescolamento di

diversi lotti di polvere.

Conclusioni