La fusione laser con metalli cambia la produzione del futuro

Dr. Florian Bechmann: «Attualmente, la prospettiva dei clienti si concentra molto sulle esigenze di qualità. Ciò richiede un alto livello di integrazione tra ottica, meccanica, tecnologia di controllo e software di un impianto.» (Fonte immagine: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: "I clienti sono attualmente molto concentrati sui requisiti di qualità. Ciò richiede la giusta combinazione di ottica, meccanica, tecnologia di controllo e software." (Foto: Concept Laser GmbH)

Dr. Florian Bechmann: «Questa rappresentazione 3D aumenterà in futuro la trasparenza del processo e catturerà il componente nella sua totalità strutturale. Ciò significa trasparenza in un processo altamente dinamico e rapido, che l'operatore può gestire solo con aiuti speciali.» (Fonte immagine: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: "This type of 3D imaging will increase the transparency of the process in the future by capturing the component in its structural entirety. This creates transparency in a fast, highly dynamic process, which operators can only master with special aids." (Photo: Concept Laser GmbH)

"Monitoraggio del processo in linea" con il modulo QM QMmeltpool: il sistema utilizza una telecamera e una foto-diodo per monitorare il processo in un'area molto piccola di 1x1 mm². Successivamente il processo viene documentato. (Fonte immagine: Concept Laser GmbH)

Assicurazione qualità attiva con QMmeltpool: anche se l'occhio umano non è in grado di rilevare difetti, QMmeltpool individua comunque deviazioni nella qualità del componente. (Fonte immagine: Concept Laser GmbH)

QMcoating: Senza QMcoating, lo strato potrebbe essere insufficientemente rivestito (le aree rosse indicano una mancanza di materiale in polvere); con l'approccio QMcoating, invece, il fattore di dosaggio della polvere viene regolato all'interno della gamma di tolleranza. (Fonte immagine: Concept Laser GmbH)

QMcoating: Con QMcoating è possibile risparmiare fino al 25% di polvere rispetto a una gestione manuale (potenziale di risparmio = area ombreggiata). (Fonte immagine: Concept Laser GmbH) / QMcoating: L'uso di QMcoating può risparmiare fino al 25% della quantità di polvere richiesta rispetto alla gestione manuale (potenziale di risparmio = area ombreggiata). (Foto: Concept Laser GmbH)

Il più grande componente prodotto con la stampa 3D: un alloggiamento per ingranaggi in alluminio (dimensioni: x: 474mm; y: 367mm; z: 480mm – esclusa l'altezza della piattaforma di costruzione) viene realizzato con tassi di deposizione di oltre 50cm³/h da polvere. (Fonte immagine: Concept Laser GmbH) / The largest part produced using additive manufacturing: a gear housing made of aluminum (dimensions: x: 474mm; y: 367mm; z: 480mm – excluding build platform height) is constructed from powder at rates of > 50cm³/h. (Photo: Concept Laser GmbH)

Immagine di gioielli LaserCUSING. (Fonte dell'immagine: Concept Laser GmbH) / Immagine di copertina LaserCUSING (Foto: Concept Laser GmbH)

La parola magica della produzione industriale è la stampa 3D. L'abbandono del pensiero legato alla forma, verso una libertà geometrica additiva dei componenti, non è più una moda, ma una forte tendenza. I vantaggi sono evidenti: tempi di ciclo più rapidi, componenti più economici e una libertà di forma finora sconosciuta. Conseguenza di questa dinamica evoluzione del mercato: il settore sembra abituarsi a tassi di crescita a doppia cifra. Il Dr. Florian Bechmann, responsabile dello sviluppo presso Concept Laser, riferisce sulle tendenze e le crescenti richieste di qualità.

I pionieri che hanno dato impulso al processo sono l'industria automobilistica, la tecnologia medica, nonché l'aerospaziale e l'aviazione. Questi motori tecnologici non solo pongono alte aspettative sulla qualità o sulla scelta dei materiali, ma anche su aspetti quantitativi, come l'aumento della produttività. Questi utenti richiedono tempi di costruzione più brevi o più parti in uno stesso volume di costruzione. Per l'industria automobilistica, Concept Laser ha sviluppato il più grande volume di costruzione attualmente disponibile con la X line 1000R. Il passaggio dal laser da 400W a quello da 1000W è considerato una pietra miliare importante del processo. Lo sviluppo è stato realizzato in stretta collaborazione con gli specialisti laser della Fraunhofer-Gesellschaft. L'obiettivo era realizzare processi più veloci, anche più economici. Lo sviluppo di motori moderni che risparmiano tempo o grandi componenti per l'aerospaziale sono applicazioni per impianti di fusione laser di grandi dimensioni.

L'industria aerospaziale si affida con coerenza ai processi generativi

Le innovazioni provengono sempre più dal settore aerospaziale, che richiede soluzioni di alta qualità. L'uso di materiali reattivi come titanio o leghe di alluminio, che possono essere prodotti in modo sicuro e di alta qualità solo in sistemi chiusi, è molto richiesto nell'aerospaziale. Tutti gli utenti, come NASA, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne o Astrium Space Transportation del gruppo EADS, vedono il processo generativo come il prossimo passo evolutivo della produzione moderna su larga scala. Gli ingegneri della NASA stanno addirittura pensando di produrre componenti in modo additivo sulla ISS, cioè in orbita. Questo avrebbe il vantaggio di poter fabbricare parti nello spazio utilizzando dati CAD. Negli USA si osserva un elevato investimento di capitale e personale. Ciò vale per la ricerca e l'istruzione, ma anche per l'industria. Gli europei possono contribuire con i loro risultati di ricerca e tecnologia delle macchine soprattutto negli USA e in Europa. In Europa, l'UE promuove questo processo attraverso progetti come AMAZE, perché si è convinti della sua sostenibilità e del suo potenziale innovativo.

La tecnologia medica come pilastro importante

La fusione laser di metalli rivoluziona in modo sostenibile la tecnologia medica: le catene di processo tradizionali vengono completamente rivoluzionate. Così, i componenti LaserCUSING per impianti sono richiesti per le loro superfici porose che favoriscono l'integrazione, pur consentendo l'elasticità necessaria. Una applicazione emergente è la produzione di protesi dentarie più economiche e rapide, realizzate con materiali biocompatibili. Soluzioni dentali durevoli e ad alte prestazioni, invece di protesi artigianali.

Valorizzazione come opzione

Anche nel retrofit il processo può essere vantaggioso: parti di turbine usurate di centrali elettriche o di aeromobili possono essere rigenerate rapidamente e a basso costo. Sul corpo di base si possono applicare in modo additivo strati dello stesso materiale, come tecnica ibrida. Oltre alla rigenerazione, vengono prodotti anche componenti completamente nuovi per la tecnologia delle turbine.

Sforzi di R&S in aumento

Per accelerare lo sviluppo e rispondere alla domanda crescente del mercato, Concept Laser ha aperto alla fine del 2013 un nuovo centro di sviluppo. La fusione laser di metalli esercita un forte fascino sui progettisti e ingegneri di sviluppo di vari settori per la progettazione di componenti. L'obiettivo dei costruttori di impianti è accompagnare questa evoluzione del mercato con innovazioni. Per impianti complessi, è necessario un coordinamento intensivo tra ottica, meccanica, tecnologia di controllo, software e materiali in polvere. Nel nuovo centro di sviluppo di Concept Laser si lavora su “innovazioni discrete”, che non sono destinate alla grande pubblicità.

Nuove opzioni per i progettisti

Con LaserCUSING si possono integrare funzioni come canali di raffreddamento. Questo è interessante per componenti soggetti a forti sollecitazioni termiche o anche per ridurre i tempi di ciclo negli stampi per la plastica. Nell'industria offshore si stanno valutando installazioni di impianti di fusione laser su piattaforme di perforazione, per produrre autonomamente alcuni componenti sul posto. La tecnologia è indipendente dalla posizione e può essere eseguita localmente.

Garantire la qualità in tempo reale

Concept Laser offre moduli di gestione della qualità per gli impianti. Ci sono due approcci: QMmeltpool e QMcoating. Il Dr. Bechmann spiega: “Con QMmeltpool, il sistema acquisisce segnali tramite telecamera e fotodiodo durante il processo di costruzione. Questi dati possono essere confrontati successivamente con un riferimento. Il sistema ottico è coassiale. Permette alla telecamera di acquisire il pool di fusione su una superficie molto piccola, circa 1x1mm². Si possono rilevare riduzioni di potenza del laser, causate da contaminazioni dell'obiettivo F-Theta o dall'invecchiamento naturale del laser, così come deviazioni dal fattore di dosaggio.” Il secondo approccio è il modulo QMcoating: assicura che venga utilizzata la quantità ottimale di polvere, per risparmiare materiale (fino al 25%) e ridurre i tempi di preparazione. QMcoating controlla la superficie dello strato durante l'applicazione della polvere. In caso di dosaggio troppo basso o troppo alto, il fattore di dosaggio viene regolato di conseguenza, attivamente. I due moduli QM monitorano e documentano il processo in tempo reale, garantendo qualità riproducibile.

Fattori chiave per una maggiore qualità nei dettagli

In Concept Laser si nota una caratteristica distinzione tra volume di costruzione e spazio di handling: come spiega il Dr. Florian Bechmann, questo mira a offrire massima sicurezza sul lavoro e ergonomia. Le apparecchiature dispongono di un trasporto automatizzato della polvere in contenitori. La tecnologia degli impianti come “sistema chiuso” per la fusione laser di metalli offre numerosi vantaggi: qualità dei componenti, poiché si evitano contaminazioni da ossigeno, e sicurezza, specialmente quando si lavorano materiali reattivi come titanio o leghe di titanio. I requisiti di sicurezza sono definiti dalla direttiva ATEX dell'UE.

Prospettive future della fusione laser

Ottime prospettive future
Le applicazioni della fusione laser di metalli si espandono, ampliando anche la gamma dei materiali. Ciò richiede un forte supporto consulenziale che Concept Laser deve offrire al mercato. Il Dr. Florian Bechmann afferma: “La tecnologia degli impianti deve essere continuamente adattata a questi nuovi materiali. Allo stesso tempo, crescono le esigenze progettuali dei componenti. Dall'uso di strutture leggere o quasi a schiuma, fino all'integrazione di funzioni come circuiti di raffreddamento all'interno dei componenti.” La moltiplicazione oltre i confini di settore accelera la velocità di innovazione dei costruttori di impianti. Un altro aspetto è l'aumento dell'importanza della qualità nella percezione degli utenti. I clienti si aspettano un monitoraggio attivo del processo e la produzione in serie affidabile, cioè ripetibilità a livello industriale.

Aumento delle richieste di qualità
“L'attenzione dei clienti si concentra attualmente molto sulle richieste di qualità. Ciò richiede un alto livello di integrazione tra ottica, meccanica, tecnologia di controllo e software di un impianto,” spiega il Dr. Bechmann. I fattori chiave risiedono in un monitoraggio della qualità trasversale. I moduli di gestione della qualità brevettati (“QM-Modules”) di Concept Laser determinano la qualità, l'usabilità e l'influenza in tempo reale sul processo di costruzione altamente dinamico. Gli utenti sono interessati, oltre che alla geometria, alla densità e alla produttività, anche alla qualità del prodotto finale. Come spiega il Dr. Bechmann: “Due approcci sono efficaci per una qualità superiore: il monitoraggio attivo del processo tramite la tecnologia della macchina e lo sviluppo di materiali. Questo include la certificazione dei materiali, ad esempio in campo medico, o anche le normative specifiche del produttore, come quelle da rispettare nel settore automobilistico o aerospaziale.”

Sviluppi nel breve termine
Il Dr. Florian Bechmann prevede importanti sviluppi futuri nel mapping, cioè nella “mappa del componente”. I mapping 2D vengono generati durante il processo di costruzione e successivamente rappresentati in modelli 3D. È paragonabile alle immagini ottenute tramite tomografia computerizzata (TC) in campo medico. Bechmann afferma: “Questa rappresentazione 3D aumenterà in futuro la trasparenza del processo, catturando il componente nella sua interezza strutturale. Significa trasparenza in un processo altamente dinamico e rapido, che l'operatore può gestire solo con aiuti specifici.” Le aspettative dei clienti riguardano la velocità futura di costruzione dei componenti: “Ci sono due strade: da un lato, potenza laser più elevata come con la X line 1000R, cioè il salto da 400W a 1000W, e dall'altro, l'uso di più laser. ” Più fonti laser possono aumentare significativamente la produttività dei componenti, ma bisogna valutare il vantaggio di usare parametri di processo noti contro la crescente complessità dell'assetto ottico. In questi concetti, non solo il laser, ma anche molte altre componenti ottiche vengono moltiplicate.

Informazioni aggiuntive: Due aspetti marginali della fusione laser

Tecnologia verde: sostenibilità e aspetti ecologici della produzione generativa
La fusione laser è un processo di produzione altamente sostenibile. Numerosi fattori attestano il salto di qualità della fusione laser in termini di impatto ecologico e bilancio di CO2:

• eliminazione dei processi di produzione di stampi o fusione
• riduzione della logistica grazie alla produzione locale o decentralizzata (ad esempio su piattaforme offshore o stazioni spaziali)
• risparmio di materiali durante il processo
• assenza di emissioni sonore particolari
• produzione rapida di prototipi o modelli di prova
• rigenerazione di componenti tramite tecnologia ibrida
• assenza di emissioni di olio e refrigeranti come nelle tecnologie convenzionali
• il calore residuo del laser può essere utilizzato come riscaldamento negli edifici
• bassi consumi energetici dell'impianto
• produzione “on-demand”
• produzione di pezzi unici (piccole serie)
• riduzione degli scarti

Una vasta gamma di possibilità per una produzione più sostenibile. Non a caso, la fusione laser viene definita “tecnologia verde” e viene riconosciuta dall'UE come tecnologia chiave europea per la produzione del futuro.

Stampa 3D industriale vs. stampa 3D consumer
In tutte le fiere, le stampanti 3D sono il punto di attrazione principale. Gli interessati già oggi si informano se si possono stampare mattoncini Lego o, ancora più audacemente, alimenti. Segue la logica di voler passare dalla stampa 2D a quella tridimensionale, come si fa con una stampante laser. Per i corpi tecnici, fino a determinate dimensioni, stampanti accessibili a meno di 1.000 euro sono già una realtà.

Naturalmente, questo non ha nulla a che vedere con una visione industriale della fusione laser con metalli. Si distinguono applicazioni consumer e industriali: le tecnologie industriali puntano a qualità molto elevate, dimensioni dei componenti o produzione parallela di molti pezzi in uno stesso volume di costruzione, e altre velocità di costruzione rispetto al segmento consumer. Le richieste di qualità e materiali, fino alla certificazione di materiali e processi, derivano dai settori che necessitano di produzione industriale, come aerospaziale, turbine, medicale e odontoiatria, automotive, orologeria e gioielleria. In questi settori si richiedono metalli e leghe ad alte prestazioni, fino a materiali reattivi, con elevata ripetibilità e sicurezza. La tecnologia degli impianti necessari richiede un coordinamento preciso tra ottica, meccanica, tecnologia di controllo e software, con elementi di controllo qualità per garantire un processo altamente dinamico in tempo reale.

Il principio di funzionamento è simile, ma le soluzioni consumer nel 3D sono più simili, ad esempio, alle V2 di Wernher von Braun rispetto alla moderna tecnologia dei razzi. Non si tratta quindi delle “mele o pere” tanto citate, ma di due filosofie e applicazioni completamente diverse.

Informazioni di base su LaserCUSING®

Parola chiave: LaserCUSING®
Con il procedimento LaserCUSING® si realizzano componenti metallici resistenti meccanicamente e termicamente, con alta precisione. Si utilizzano, a seconda dell'applicazione, acciai pregiati e utensili, leghe di alluminio o titanio, superleghe a base di nichel, leghe di cobalto e cromo, o anche metalli preziosi come leghe d'oro o d'argento.

Descrizione del procedimento
Nel LaserCUSING®, si fonde localmente un fine polvere metallica tramite un laser a fibra ad alta energia. Dopo il raffreddamento, il materiale si solidifica. La sagoma del componente viene creata mediante deviazione del raggio laser con un'unità a specchio (scanner). La costruzione del componente avviene strato dopo strato (con uno spessore di 15 – 100 μm), abbassando il fondo del volume di costruzione, applicando nuovo materiale in polvere e rifondendo.

La particolarità degli impianti Concept Laser è un controllo stocastico dei segmenti di slice (chiamati anche “isole”), che vengono elaborati uno dopo l'altro. La tecnologia brevettata garantisce una significativa riduzione delle tensioni durante la produzione di componenti molto grandi.