Guida alla progettazione della fusione laser a letto di polvere (L-PBF)
Fusione laser a letto di polvere (LPBF) è una tecnologia di produzione additiva che crea parti metalliche complesse. Questa guida si rivolge ai principianti in cerca di aiuto per la progettazione di un componente e ai costruttori più esperti in cerca di suggerimenti per migliorare il processo di progettazione.
In questa guida all'L-PBF, imparerete a conoscere:
- Progettazione di strutture di supporto
- Scegliere l'orientamento di costruzione corretto
- Stampa efficace dei fori
- Suggerimenti generali per la progettazione
Il processo di fusione laser a letto di polvere
L-PBFIl processo di fusione laser, noto anche come fusione laser selettiva (SLM) o sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS), è un processo basato sul laser che fonde particelle di polvere metallica su una piastra di costruzione. Questo processo avviene strato per strato, con uno spessore di ciascun strato solitamente compreso tra 20 e 80 um. La polvere viene applicata tramite un rastrello dal magazzino al letto di polvere. Il processo di progettazione additiva consente agli ingegneri di progettare forme intricate e parti di produzione, riducendo al contempo il peso e il consumo di materiale.
Come funziona l'LPBF
Questo è solo un piccolo promemoria per ricordare che ogni processo di produzione, sia esso additivo, sottrattivo o formativo, ha limiti e considerazioni. La progettazione assistita dal computer (CAD) svolge un ruolo cruciale nel guidare il processo LPBF, consentendo la creazione di geometrie complesse difficilmente realizzabili con i metodi di produzione tradizionali. Mentre alcune tecnologie La progettazione per un metodo di produzione specifico, come l'applicazione di materiale in polvere in uno strato sottile, non è un concetto nuovo. La progettazione è sempre legata al processo di produzione.
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Progettazione di strutture di supporto
Durante il processo di progettazione è necessario considerare il supporto. La scelta del materiale della polvere è fondamentale per garantire la stabilità e la qualità delle strutture di supporto durante il processo LPBF. Con le tecnologie di fabbricazione additiva dei metalli come la L-PBF, le strutture di supporto hanno funzioni vitali:
Parti di supporto in caso di sporgenza
Fissare e rinforzare la parte alla piattaforma
Deviazione del calore in eccesso dal pezzo
Prevenzione della deformazione
Impedire che il bagno di fusione cada nella polvere metallica sciolta
Resistenza alla forza meccanica del meccanismo di diffusione della polvere del pezzo
Prevenzione di un fallimento completo della costruzione derivante da una qualsiasi delle situazioni di cui sopra
Gli effetti della mancata progettazione di supporti con determinate angolazioni
La progettazione di supporti adeguati è essenziale. Ecco altre considerazioni fondamentali per la L-PBF.
L'area fusa dal punto laser si raffredda molto rapidamente, creando tensioni che possono incurvare il materiale verso l'alto. A volte, questa sollecitazione può essere abbastanza forte da staccare il pezzo dal suo supporto o dividerlo completamente. Per evitare questo inconveniente, i supporti possono essere ancorati alla piastra di costruzione.
La solidificazione di un pezzo non può iniziare al centro del letto di polvere. Deve essere collegato alla piastra di costruzione direttamente o tramite un supporto.
Ogni area del pezzo rivolta verso la piastra di costruzione con un angolo inferiore a 45° richiede un supporto.
Orientamento di stampa LPBF
Non è possibile progettare con successo una parte per la produzione additiva se non si considera l'orientamento della stampa. La qualità di ogni pezzo (ad esempio, la resistenza, le proprietà del materiale, la qualità della superficie, la quantità di supporto e così via) dipende dall'orientamento della stampa.
Sebbene il materiale di supporto sia essenziale per garantire il successo di un progetto e del processo di stampa, dovrebbe essere limitato allo stretto necessario. Il posizionamento e la quantità di materiale di supporto hanno un impatto qualità del pezzo, tempi di produzione e costi di post-elaborazione.
L'orientamento può anche influire sulla finitura superficiale del pezzo, soprattutto quando il pezzo ha caratteristiche arrotondate. Non considerare l'orientamento può causare l'effetto scala. Questo fenomeno, presente in diverse tecnologie di produzione additiva, fa sì che ogni strato stampato diventi visibile. Invece della superficie liscia prevista, la superficie danneggiata assomiglia a una scala.
L'effetto scala
Stampa efficace dei fori
È meglio stampare i fori in verticale rispetto al loro asse se la loro rotondità è fondamentale per il pezzo. La stampa dei fori in verticale assicura che ogni strato sottile sia formato con precisione, mantenendo la rotondità e l'integrità del foro.
I fori stampati orizzontalmente subiranno l'effetto scala e risulteranno leggermente ellittici. I fori con diametro fino a 8 mm possono essere realizzati in orizzontale senza supporti aggiuntivi. I fori più grandi richiedono supporti, anche se il diametro varia a seconda della macchina e del materiale.
Se si desidera evitare la necessità di strutture di supporto nei fori, seguire queste linee guida:
Fori ellittici per quando l'altezza dell'ellisse è il doppio della larghezza. L'altezza può essere di circa 25 mm.
I fori a goccia possono avere quasi tutti i diametri se l'angolo superiore non è inferiore all'angolo di appoggio minimo (45°).
I fori a forma di diamante possono essere di qualsiasi dimensione, ma è preferibile filettare gli angoli per evitare concentrazioni di tensioni.
Suggerimenti per il design
Sfilettare tutti gli angoli. In generale, è buona norma filettare - o arrotondare - tutti gli spigoli vivi quando si progetta un pezzo. Le ragioni sono due.
La scelta del materiale in polvere appropriato è essenziale per ottenere le proprietà meccaniche e la finitura superficiale desiderate del pezzo finale.
Il primo motivo è la sicurezza. Quando gli angoli esterni sono arrotondati, l'oggetto diventa più facile da tenere in mano o da usare. Meno spigoli vivi significa meno pericoli derivanti dalla manipolazione di spigoli vivi. Il secondo motivo è quello di garantire la resistenza dell'oggetto. L'arrotondamento degli angoli interni riduce le concentrazioni di stress che potrebbero compromettere la resistenza complessiva dell'oggetto. Una buona regola è che il filetto sia pari a ¼ dello spessore della parete dell'elemento (ad esempio, nervature o perni).
Fori di rilascio della stampa per le strutture cave. Se il pezzo presenta un'area cava, è opportuno progettare dei fori per far fuoriuscire la polvere dall'interno. Per rimuovere facilmente la polvere, è necessario prevedere almeno due fori di fuoriuscita per ogni area cava.
Mantenere costante lo spessore della parete. La progettazione di un pezzo che passa da strutture sottili a blocchi solidi genera ulteriori sollecitazioni, aumentando il rischio di deformazioni e piegature.
I prossimi passi
Ogni buon progetto L-PBF contiene questi tre elementi:
Utilizzando la minima quantità di polveri metalliche, si riducono i tempi e i costi di stampa.
Considerare l'orientamento di stampa
Progettazione di supporti adeguati
Utilizzo della progettazione assistita da computer (CAD) per ottimizzare la geometria e la funzionalità del pezzo.
Con questi quattro elementi, il vostro pezzo LPBF può passare da un'idea a un pezzo completo, finito e funzionale.
