Come vengono prodotte le polveri metalliche per la stampa 3D industriale

La polvere metallica è uno dei componenti più critici nell' produzione additiva industria della manifattura additiva (AM), costituendo la base per parti metalliche stampate in 3D. Alla Conferenza Mondiale sull'Industria delle Tecnologie di Stampa 3D del 2013, gli esperti hanno definito stampa 3D polvere metallica un insieme di particelle metalliche con diametro inferiore a 1 mm, inclusi metalli puri, leghe metalliche e composti refrattari con proprietà metalliche.

Le polveri metalliche attualmente disponibili per stampa 3D includono leghe di cobalto-cromo, acciaio inossidabile, acciai per utensili, leghe di bronzo, leghe di titanio e leghe di nichel-alluminio. Per soddisfare le rigorose esigenze dei processi di AM, le polveri metalliche devono presentare:

• Dimensione di Particella Fine

• Ristretta distribuzione dimensionale

• Elevata sfericità

• Eccellente scorrevolezza

• Elevata densità apparente e di compattamento

Metodi di Produzione delle Polveri

A seconda dell'applicazione prevista e del processo di formatura successivo, vengono utilizzate diverse tecniche di produzione delle polveri. Queste si dividono in due grandi categorie:

• Metodi Fisico-Chimici

• Metodi Meccanici

Nell'industria della metallurgia delle polveri, elettrolisi , riduzione , e atomizzazione sono comuni, sebbene non tutti siano adatti alla produzione di polveri di lega. Nella produzione additiva, l'attenzione principale è rivolta a leghe di Titanio , superleghe , cobalto-cromo , acciai ad alta resistenza , e acciai per utensili . Per soddisfare gli standard prestazionali, le polveri devono mantenere:

• Basso contenuto di ossigeno e azoto

• Elevata sfericità

• Ristretto intervallo di dimensione delle particelle

• Alta densità apparente

Attualmente, i quattro metodi più diffusi per produrre polveri metalliche sferiche per la stampa additiva (AM) sono:

1. Processo al Plasma con Elettrodo Rotante (PREP)

2. Atomizzazione al Plasma (PA)

3. Atomizzazione con Gas (GA)

4. Sferoidizzazione al Plasma (PS)

1. Processo al Plasma con Elettrodo Rotante (PREP)

Principio:
Le barre metalliche (elettrodi) vengono fatte ruotare a elevata velocità mentre la punta viene fusa da un arco al plasma. Il materiale fuso viene espulso dalla forza centrifuga, formando goccioline che solidificano in polvere quasi sferica in condizioni di gas inerte.

Caratteristiche principali:

• Produce polvere pulita e altamente sferica

• Eccellente scorrevolezza e qualità superficiale

• Distribuzione stretta della dimensione delle particelle

Limitazioni:

• Minore resa di polveri fini (<45 μm)

• Elevati requisiti dell'attrezzatura (velocità di rotazione, contenimento)

• Costo maggiore per le polveri fini

Applicazione:
Ideale per produrre polveri sferiche di lega come titanio e leghe resistenti al calore. Le dimensioni delle particelle più grandi vengono spesso utilizzate nei processi Laser Engineered Net Shaping (LENS) o Directed Energy Deposition (DED).

2. Atomizzazione a plasma (PA)

Principio:
Un filo metallico viene alimentato in una zona di plasma ad alta temperatura, dove viene fuso o vaporizzato e frammentato in microgocce grazie all'energia cinetica del plasma. Queste gocce si raffreddano e solidificano in polveri fini mentre scendono attraverso una camera a gas inerte.

Caratteristiche principali:

• Elevata resa di polvere ultrafine (<45 μm)

• Minima presenza di particelle cave o intrappolamento di gas

• Eccellente per leghe con punto di fusione elevato

Limitazioni:

• Richiede materiale di alimentazione sotto forma di filo, limitando la flessibilità delle leghe

• Costi di produzione più elevati a causa della lavorazione dei fili

• Presenza di alcune polveri satelliti

Applicazione:
Ideale per applicazioni di produzione additiva che richiedono polveri ad alta purezza e a grana fine. Particolarmente adatto per leghe di titanio utilizzate nella fusione selettiva a laser (SLM) e nella fusione con elettroni (EBM).

3. Atomizzazione con gas (GA)

Tipi:

• VIGA (Atomizzazione con gas in induzione sotto vuoto)
  Utilizza un crogiolo per fondere il metallo sotto vuoto. Il flusso di metallo fuso viene frammentato in gocce da getti di gas inerte ad alta pressione.

• EIGA (Atomizzazione con gas inerte mediante elettrodo riscaldato per induzione)
  Fonde un elettrodo metallico rotante utilizzando bobine di induzione, eliminando la necessità del crogiolo e riducendo il rischio di contaminazione.

Caratteristiche principali:

• Alta Efficienza e Costo-Efficienza

• Ampia compatibilità con leghe (acciaio, nichel, cobalto, alluminio, rame)

• Dimensione controllabile delle particelle

Limitazioni:

• Sfericità inferiore rispetto ai metodi basati su plasma

• Contenuto più elevato di polvere satellitare e cava

• L'aria intrappolata la rende meno adatta per EBM o pressione isostatica a caldo (HIP)

Applicazione:
Ampiamente utilizzata per la produzione di polveri per processi SLM e DED. Miglioramenti continui, come l'atomizzazione con gas ultrasonico e a flusso laminare, hanno migliorato la qualità delle polveri per AM.

4. Sferoidizzazione al plasma (PS)

Principio:
Polveri metalliche irregolari vengono alimentate in una torcia a plasma a radiofrequenza (RF). Le particelle vengono riscaldate fino a raggiungere o superare il loro punto di fusione e successivamente raffreddate rapidamente, formando particelle sferiche grazie alla tensione superficiale.

Caratteristiche principali:

• Alta sfericità e superfici lisce

• Buona scorrevolezza

• Adatta per metalli refrattari (tantalio, tungsteno, niobio, molibdeno)

Limitazioni:

• Cicli di riscaldamento prolungati

• Contenuto elevato di ossigeno dovuto all'aumento della superficie

• Perdita di elementi di lega volatili durante la fusione

Applicazione:
Utilizzato principalmente per riprocessare polveri non sferiche in polveri sferiche. Utile anche per recuperare polveri usate o riciclate.

Confronto tra metodi

Conclusione

A livello globale, le tecnologie di produzione additiva stanno avanzando rapidamente in termini di materiali, attrezzature e applicazioni. Sebbene l'attenzione attuale sia spesso concentrata sul processo di stampa in sé, lo sviluppo a monte delle polveri metalliche - in particolare la progettazione di leghe, l'equipaggiamento per la produzione e le tecnologie di sferoidizzazione a basso costo - rimane un'area critica ma poco sviluppata.

Per sostenere un ecosistema AM solido e indipendente, è necessario dedicare maggiore attenzione all'infrastruttura di produzione delle polveri, all'innovazione dei processi e alla ricerca sui materiali. Lo sviluppo di competenze in questi ambiti è essenziale per promuovere soluzioni di stampa 3D metalliche ad alte prestazioni, economiche e scalabili.