Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

Immaginate un mondo in cui una singola macchina possa costruire un componente che sia duro e resistente all'usura all'esterno, ma tenace e flessibile all'interno, tutto in un unico processo continuo. Questa è la promessa di una tecnologia chiamata deposizione metallica laser. In questo processo, un laser ad alta potenza fonde polvere metallica mentre questa viene soffiata in una minuscola pozza di metallo fuso, costruendo un componente strato dopo stro direttamente da un progetto digitale. Per anni, gli ingegneri hanno utilizzato questo metodo per creare parti da un unico tipo di metallo. Tuttavia, il mondo reale è raramente così semplice. Una pala di una turbina potrebbe dover resistere al calore estremo alla sua estremità pur rimanendo flessibile vicino alla base; un impianto medico potrebbe richiedere una superficie che si leghi bene all'osso ma un nucleo che sostenga carichi pesanti. Per soddisfare queste esigenze, gli scienziati hanno a lungo cercato di mescolare diversi metalli durante il processo di stampa. La sfida è sempre stata il controllo: come si possono mescolare due diverse polveri in modo così perfetto da farle miscelare istantaneamente e uniformemente prima che si fondano, senza che un tipo di polvere voli fuori rotta o si aggreghi?

Un team di ricercatori dell'Università di Nanchang, in Cina, ha affrontato questo problema progettando un nuovo tipo di ugello, il dispositivo che dirige la polvere metallica verso il raggio laser. Inveve di mescolare le polveri insieme in una tramoggia prima che entrino nella macchina, il loro nuovo design mantiene due polveri diverse separate fino all'ultimo momento. Hanno costruito un ugello coassiale a doppio canale, il che significa essenzialmente un tubo dentro un altro tubo. Il tubo interno trasporta un tipo di polvere metallica, mentre l'anello esterno trasporta un tipo diverso. Entrambi i flussi vengono sparati simultaneamente verso lo stesso punto. L'obiettivo era vedere se questi due flussi distinti, che si comportano naturalmente in modo diverso a causa del loro peso e della loro forma, potessero essere costretti a convergere e a mescolarsi uniformemente proprio prima di colpire il metallo fuso.

Per capire il modo migliore per costruire questo ugello, i ricercatori si sono rivolti innanzitutto alle simulazioni al computer. Hanno creato un modello virtuale del flusso di gas e polvere per testare come diverse forme e angoli avrebbero influenzato i flussi. Hanno scoperto che la dimensione dei tubi e l'angolo con cui puntano sono critici. Se i tubi sono troppo larghi, la polvere si diffonde troppo e perde la sua focalizzazione. Se gli angoli sono errati, i due flussi potrebbero mancarsi o convergere a distanze diverse, portando a una miscela disordinata. Attraverso queste simulazioni, hanno determinato che il canale interno dovrebbe essere angolato a 70 gradi e quello esterno a 60 gradi, con entrambi i tubi aventi un diametro di 0,8 millimetri. Hanno anche calcolato che l'uscita del tubo interno dovrebbe essere posizionata a 3 millimetri dal centro dell'ugello, e il tubo esterno dovrebbe stare a soli 1 millimetro dal tubo interno. Queste dimensioni specifiche, hanno scoperto, avrebbero creato il punto di incontro più stretto e focalizzato tra le due polveri.

Una volta ottimizzato il modello al computer, il team ha costruito un prototipo fisico dell'ugello e lo ha messo alla prova. Hanno scelto tre metalli molto diversi per vedere se il design potesse gestire la sfida: una lega di titanio nota come TC4, il molibdeno e il rame. Questi materiali variano significamente in densità e forma. Le polveri di titanio e molibdeno erano quasi sfere perfette, mentre la polvere di rame era irregolare e seghettata. Utilizzando telecamere ad alta velocità, i ricercatori hanno osservato le polveri uscire dall'ugello. Le riprese hanno mostrato che, nonostante le loro differenze, i due flussi di polvere viaggiavano insieme e si incontravano esattamente nello stesso punto nello spazio. Quando hanno mescolato le polveri di titanio e rame, i colori distinti dei metalli hanno permesso loro di vedere la miscelazione in tempo reale. Il titanio grigio-argento e il rame rosso-brunastro si sono mescolati fluidamente nel punto di convergenza, senza segni di uno che si stratificava sull'altro o si aggrega in pile separate.

Per dimostrare che questa miscelazione funzionava in un contesto di produzione reale, i ricercatori hanno usato l'ugello per costruire un campione di parte. Hanno fatto passare la lega di titanio attraverso il canale interno e il molibdeno attraverso il canale esterno, creando un singolo tracciato alto dieci strati. Dopo che la parte è stata costruita, l'hanno tagliata e la sezione è stata esaminata al microscopio. I risultati sono stati chiari: il molibdeno era distribuito uniformemente in tutta la struttura, proprio come il titanio. Non c'erano macchie scure o luminose che indicassero che un metallo si fosse depositato sul fondo o fosse galleggiato in superficie. Ciò ha confermato che le polveri si erano mescolate accuratamente nell'aria prima di fondersi, creando una miscela uniforme di due materiali molto diversi.

Lo studio dimostra che, progettando attentamente il percorso dei flussi di polvere, è possibile fornire metalli dissimili a un raggio laser e ottenere una miscelazione perfetta senza pre-miscelarli. Questo approccio offre un nuovo livello di controllo per la creazione di componenti complessi con proprietà su misura. I ricercatori hanno dimostrato che, con la giusta geometria dell'ugello, le differenze naturali tra polveri pesanti, leggere, rotonde o seghettate non devono essere una barriera. Al contrario, possono essere gestite per produrre un materiale coerente e di alta qualità che combini le migliori caratteristiche dei suoi ingredienti, aprendo la porta a parti metalliche più avanzate e adattabili in futuro.