Island Interface Porosity in PBF-LB 316L: Effects of Island Overlap and Interlayer Shift in Chessboard Scanning

Nel mondo della manifattura moderna, esiste una tecnica che costruisce oggetti metallici solidi strato dopo strato, direttamente da un design digitale, senza la necessità di stampi o pesanti strumenti di taglio. Questo processo, noto come fusione a letto di polvere, funziona stendendo uno strato sottile di polvere metallica fine su una piattaforma e utilizzando poi un laser potente per fondere punti specifici, fondendo la polvere in una forma solida. Mentre il laser si muove, traccia la geometria del componente e, una volta completato uno strato, la piattaforma scende leggermente, un nuovo strato di polvere viene steso e il processo si ripete finché l'oggetto non è finito. Sebbene questo metodo permetta agli ingegneri di creare forme incredibilmente complesse che sarebbero impossibili da realizzare in altro modo, i componenti risultanti non sono sempre perfetti. Il rapido riscaldamento e raffreddamento inerenti al processo possono lasciare dietro di sé piccoli fori invisibili chiamati pori. Questi vuoti sono un problema serio perché indeboliscono il metallo, rendendolo più propenso a creparsi o a cedere sotto sforzo, il che è una preoccupazione critica per industrie come l'aerospazio e la medicina, dove la sicurezza è fondamentale.

Per gestire l'intenso calore generato durante la stampa, i produttori utilizzano spesso una strategia chiamata scansione a scacchiera. Invece di lasciare che il laser disegni una lunga linea continua attraverso l'intero componente, il software suddivide la superficie in una griglia di piccoli quadrati, o isole. Il laser riempie un quadrato, poi salta a un altro, alternando le direzioni per evitare che il calore si accumuli in un unico punto. Tuttavia, questo approccio crea nuovi confini dove questi quadrati si incontrano. Se il laser non fonde abbastanza polvere in questi bordi, i quadrati non si fondono correttamente, lasciando una linea di punti deboli e fori proprio dove le isole si toccano. Per anni, gli ingegneri hanno cercato di risolvere il problema spostando leggermente il modello della griglia tra ogni nuovo strato, sperando che il nuovo strato fondesse sopra i vuoti lasciati dal precedente. Ma uno studio recente suggerisce che questo spostamento da solo non è la soluzione completa, e che un diverso aggiustamento — quanto il laser traccia la sovrapposizione dei bordi dei quadrati all'interno dello stesso strato — gioca un ruolo molto più critico.

I ricercatori dell'Università Federale della Tecnologia di Paraná e di Alkimat Tecnologia hanno intrapreso un'indagine per capire esattamente come questi due fattori interagiscano durante la stampa dell'acciaio inossidabile. Si sono concentrati su un tipo specifico di acciaio, l'AISI 316L, ampiamente utilizzato per la sua resistenza e resistenza alla ruggine. Utilizzando una macchina dotata di un laser da 200 watt, hanno stampato piccoli cubi di metallo, variando due impostazioni specifiche per vedere come influenzassero il numero di fori all'interno del materiale. La prima impostazione era lo "spostamento dell'isola" (island shift), in cui hanno spostato l'intero modello della griglia di un millimetro tra gli strati. La seconda era la "sovrapposizione dell'isola" (island overlap), che controllava quanto il percorso del laser si estendesse nel quadrato vicino mentre stampava quello corrente. In termini più semplici, hanno testato se il semplice spostamento del modello su e giù fosse sufficiente a sigillare i vuoti, o se dovessero deliberatamente far sì che il laser tracciasse i bordi dei quadrati in modo più aggressivo per garantire un legame solido.

Il team ha stampato decine di campioni, misurando attentamente la struttura interna di ciascuno di essi tramite la sezione trasversale esaminata al microscopio. Hanno scoperto che il semplice spostamento della griglia tra gli strati, una pratica comune nel settore, aveva pochissimo effetto nel correggere i fori se la sovrapposizione tra i quadrati era troppo piccola. Quando hanno utilizzato una sovrapposizione standard e minima, lo spostamento non impediva la formazione di difetti da mancanza di fusione ai confini delle isole. I fori rimanevano concentrati in una linea proprio dove i quadrati si incontravano, indipendentemente da come gli strati fossero sfalsati. Questo risultato ha messo in discussione l'ipotesi secondo cui lo spostamento del modello da solo fosse una cura sufficiente per questi specifici difetti.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno aumentato l'entità della sovrapposizione, i risultati sono cambiati drasticamente. Regolando il laser affinché tracciasse più a fondo nei quadrati vicini, hanno costretto il metallo a fondersi e unirsi più completamente ai confini. Aumentando questa sovrapposizione, la concentrazione di fori alle interfacce delle isole è scomparsa. Il miglioramento più significativo si è verificato quando hanno impostato la sovrapposizione al 135 percento, un livello in cui il percorso del laser si estendeva ben oltre il bordo del suo quadrato designato. A questo livello, i fori non erano più raggruppati in una linea debole; invece, erano distribuiti uniformemente in tutto il materiale e il numero totale di vuoti è diminuito significativamente. Quando hanno combinato questa alta sovrapposizione con lo spostamento dello strato di un millimetro, i risultati sono stati ancora migliori, riducendo la porosità media a appena lo 0,10 percento.

Lo studio ha esaminato anche il tempo necessario per stampare questi componenti. Aumentare la sovrapposizione significava che il laser doveva percorrere una distanza leggermente maggiore, il che aggiungeva una quantità minima di tempo al processo, ma l'aumento era trascurabile. I ricercatori hanno concluso che il modo più efficace per produrre parti metalliche resistenti e dense utilizzando questa strategia a scacchiera non è affidarsi allo spostamento degli strati, ma assicurarsi che il laser si sovrapponga ai bordi delle isole a sufficienza da garantire una fusione completa. Sebbene lo spostamento aiuti a distribuire eventuali difetti rimanenti, non può risolvere il problema se la fusione iniziale tra i quadrati è incompleta. Questa intuizione offre una via chiara e pratica per gli ingegneri per migliorare la qualità dei componenti metallici stampati in 3D, garantendo che siano privi delle debolezze nascoste che possono portare al cedimento.