Scansioni TC per la stampa 3D

WENZEL WENZEL America e NIDEC proseguono la loro collaborazione per esplorare il potenziale del sistema di tomografia computerizzata exaCT U nella ricerca sulla fabbricazione additiva con deposizione a energia diretta (DED). Questo sistema, integrato con il sistema LAMDA di NIDEC Machine Tool America, utilizza una tecnologia all'avanguardia per lavorare anche i metalli più duri.

Dall'introduzione della produzione additiva in Giappone nel 1987, si sono sviluppate numerose nuove applicazioni che utilizzano varie tecnologie per trasformare i file CAD in oggetti fisici 3D. Oggi, oggetti e forme anche molto complessi sono riconosciuti e ampiamente utilizzati in molti settori. In questo articolo esaminiamo la deposizione a energia diretta (DED) e il modo in cui questa tecnologia può essere utilizzata per garantire la qualità dei prodotti.

LP-DED (Laser Powder-Directed Energy Deposition) è un potente processo di fabbricazione additiva (AM) in cui un raggio laser focalizzato fonde e lega la polvere metallica strato per strato per creare l'oggetto 3D desiderato. La polvere metallica viene introdotta nel bagno fuso creato dal laser tramite un ugello, consentendo un posizionamento preciso del materiale e la produzione di elementi di design complessi.

Rispetto ad altri processi AM, come la fusione a letto di polvere, l'LP-DED offre una maggiore flessibilità in quanto può lavorare direttamente su componenti esistenti. Ciò rende il processo ideale per le riparazioni, l'aggiunta di caratteristiche a parti esistenti e la produzione di strutture funzionalmente graduate in cui le proprietà dei materiali variano all'interno dell'oggetto. L'LP-DED può inoltre lavorare una gamma più ampia di materiali, compresi i metalli difficili da lavorare con altri metodi.

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Un vantaggio importante

Un vantaggio fondamentale del sistema LAMDA LP-DED di NIDEC è la sua capacità di eseguire la fabbricazione additiva di metalli su larga scala senza l'uso di una camera ambientale completa. Ciò si ottiene grazie alla schermatura localizzata, ovvero un involucro di gas che circonda l'area di deposizione. Questa schermatura riduce al minimo l'interazione del laser e della polvere metallica con l'ambiente, riducendo il rischio di vapori, spruzzi e ossidazione.
Questo non solo semplifica la configurazione, ma riduce anche i costi e il consumo energetico rispetto ai sistemi AM basati su camere. Un progresso significativo è l'uso del monitoraggio e del feedback in tempo reale da parte di NIDEC per controllare il processo. Grazie all'intelligenza artificiale e all'apprendimento automatico, i sistemi LAMDA sono in grado di rilevare tempestivamente le anomalie e di arrestare automaticamente il processo prima che il componente venga danneggiato.

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La combinazione di versatilità dei materiali, riparabilità e capacità di produzione su larga scala rende l'LP-DED uno strumento prezioso per diversi settori, come quello aerospaziale, automobilistico ed energetico. Con la ricerca e lo sviluppo che continuano a migliorare il controllo del processo e la comprensione dei materiali, si prevede che l'LP-DED svolga un ruolo ancora più significativo nel futuro della produzione additiva.

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La tomografia computerizzata (TC) industriale è un metodo di controllo avanzato e non distruttivo che consente di ottenere viste interne dettagliate dei componenti, anche penetrando in materiali come il metallo e la plastica. In combinazione con un software adeguato, la TC industriale diventa uno strumento potente per l'ingegneria e la metrologia. La tecnologia CT esiste da decenni e consente ispezioni rapide, rivelando strutture interne che rimangono nascoste con i metodi di misura convenzionali, migliorando l'efficienza dei costi e la produttività. A differenza di altre macchine di ispezione, la TC offre un'analisi approfondita delle strutture interne, delle proprietà dei materiali e dei potenziali difetti.

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I sistemi di tomografia computerizzata sono preziosi per i test sui materiali e offrono un'opportunità unica di rivelare caratteristiche nascoste nei metalli. Con la tecnologia Directed Energy Deposition (DED) in particolare, è fondamentale conoscere la qualità del materiale quando si aggiungono nuove caratteristiche a parti esistenti o si creano strutture funzionalmente graduate in cui le proprietà del materiale variano all'interno dell'oggetto. I sistemi TC misurano con precisione la densità del materiale, consentendo di trarre conclusioni sulla resistenza e sulla durata. Possono anche rilevare pori che potrebbero influire sulle prestazioni del materiale, nonché crepe invisibili a occhio nudo, ma che potrebbero portare a un guasto catastrofico del prodotto.

Un'altra importante applicazione dei sistemi di tomografia computerizzata è la verifica dell'accuratezza dimensionale di un componente, per assicurarsi che sia conforme alle dimensioni e alle tolleranze specificate. Questa capacità è essenziale nelle industrie di precisione. Ciò può essere ottenuto attraverso un confronto nominale/reale, in cui il disegno CAD del pezzo viene confrontato con la scansione TC effettiva dello stesso pezzo. Nei casi in cui i dati CAD non sono disponibili, i dati di scansione di un pezzo di riferimento possono essere confrontati con i dati di scansione del pezzo da ispezionare.

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I difetti più comuni che si verificano con la DED (Directed Energy Deposition) sono la porosità e le cricche. Questi possono essere causati da impurità intrappolate nel componente durante il processo di produzione additiva. Quando si analizza il processo DED, è possibile identificare potenziali difetti come la formazione di bave, cavità, cricche, porosità, linee superficiali e aumento della rugosità superficiale. Questi difetti di deposizione rappresentano una sfida significativa sia nei processi PBF che DED e affrontarli è un compito complesso e impegnativo. Fortunatamente, misurando e rilevando questi difetti, il più recente software di tomografia computerizzata fornisce preziose indicazioni sulle correzioni necessarie per garantire prodotti di altissima qualità.

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Porosità e cavità

Porosità e cavità sono problemi comuni nelle fusioni e nelle parti stampate prodotte in modo additivo. Spesso sono causati da aria o gas intrappolati nel metallo durante la solidificazione o dal ritiro del metallo che lascia vuoti al suo interno, noti come porosità da ritiro. Poiché la porosità è costituita da aria intrappolata, può essere riconosciuta come un'area di minore densità durante l'analisi TC, semplificandone il rilevamento.

Un software adeguato è fondamentale per la determinazione precisa della porosità dovuta alle fluttuazioni di densità. WENZEL W M | PointMaster è uno strumento di analisi TC che identifica le porosità con un semplice clic. Consente all'ingegnere addetto al controllo qualità di misurare e visualizzare facilmente le dimensioni, la forma e gli eventuali raggruppamenti di porosità. L'operatore può definire un intervallo per le dimensioni delle porosità e codificarle a colori per facilitarne l'identificazione, in modo da evitare il rilevamento di porosità troppo piccole. La tomografia computerizzata è particolarmente efficace per individuare le porosità intrappolate nei pezzi stampati. I tipi di porosità comprendono la porosità continua, che si estende all'intero pezzo, e la porosità cieca, che si verifica tipicamente su una superficie del pezzo. Il rilevamento della porosità dovrebbe concentrarsi sulle aree lavorate e su altre sezioni critiche e soggette a forti sollecitazioni.

Il sistema TC presenta alcune limitazioni in termini di risoluzione e prestazioni di penetrazione. La scelta del tubo radiogeno, del rivelatore e del posizionamento dell'oggetto nell'area di scansione influisce notevolmente sull'ingrandimento massimo e sulla risoluzione. Alcuni sistemi TC offrono estensioni del campo di scansione che consentono di combinare più campi per acquisire un'area di scansione più ampia. La risoluzione è determinata anche dalla precisione del piatto rotante, che determina lo spessore della fetta della scansione.

La dimensione del voxel (v) di una ricostruzione tomografica può essere calcolata con la formula v = p M (1), dove p è la distanza del pixel del rivelatore e M è il rapporto tra SOD (Source-to-Object Distance) e SDD (Source-to-Detector Distance). Tuttavia, il valore effettivo di v è determinato anche da fattori quali la deriva della sorgente di raggi X, l'espansione termica dei componenti della tomografia computerizzata, l'inclinazione del rivelatore e del vetrino dell'oggetto e altre influenze.

Con le impostazioni ottimali, dovremmo essere in grado di rilevare e misurare cavità, ostruzioni e crepe nell'intervallo da 21µ a 26µ con un elevato grado di certezza. Con un angolo preciso, è possibile rilevarli ancora meglio. Quando si misurano i bordi, la transizione di densità non dovrebbe superare i tre pixel e la nitidezza di un bordo dovrebbe essere idealmente di circa 3-4 pixel.

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Crepe e fratture interne

La ricerca delle cause della cricca e della fase esatta del processo di produzione può essere estremamente complessa. L'individuazione della cricca e l'osservazione della sua propagazione attraverso l'oggetto possono fornire indizi cruciali per la risoluzione del problema.

In molti casi, la tecnologia CT ad alta risoluzione, come il sistema exaCT, è necessaria per rilevare con precisione le cricche nelle parti stampate. Le cricche sono spesso irregolari e possono correre in direzioni diverse all'interno di un componente. È particolarmente importante identificare le cricche causate da un raffreddamento non uniforme durante il processo di produzione. Queste cricche, simili a porosità, possono essere visualizzate e colorate utilizzando il software WM | PointMaster per analizzare le proprietà del materiale e il processo di produzione. La tecnologia CT è particolarmente utile per analizzare la migrazione delle cricche nei pezzi sottoposti a prove di trazione.

Un esempio significativo dell'applicazione della CT nello studio della migrazione delle cricche è l'analisi dei test balistici sulle armature. In questo caso è possibile dimostrare come gli strati di poliuretano si separino dopo un test balistico, mentre l'integrità complessiva del materiale viene mantenuta ed è in grado di resistere a proiettili come proiettili o schegge di granata.

Il software WM | PointMaster è in grado di fornire misure sub-voxel di scansioni TC per valutare la forma, la resistenza e gli effetti delle cricche sul materiale.

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Deviazioni della geometria interna

La scansione TC fornisce dati dettagliati sull'interno e sull'esterno dei pezzi più complessi. I pezzi in plastica spesso subiscono deformazioni dopo la sformatura a causa del ritiro e della deformazione. Per contrastare questi effetti, durante il processo di stampaggio a iniezione viene solitamente effettuato uno stampaggio compensato. La parte in plastica viene inizialmente stampata in una forma "sbagliata" in modo che, dopo il raffreddamento, possa ritirarsi e deformarsi nella forma finale desiderata e avvicinarsi il più possibile alla forma target.

Tradizionalmente, la geometria dello stampo viene adattata mediante una rilavorazione iterativa (fresatura, rettifica o erosione). Tuttavia, questo processo richiede molto tempo e può comportare l'impossibilità di riutilizzare lo stampo.

Con la deformazione virtuale, le specifiche di deformazione possono essere derivate da sistemi di simulazione o da risultati di misura di componenti effettivamente scansionati. In questo modo WM | PointMaster calcola automaticamente il risultato della deformazione, tenendo conto di fattori quali i volumi locali, il ritiro e l'esperienza dello stampista. Quartis La geometria calcolata automaticamente e compensata dalla deformazione viene poi convertita in modelli di superficie CAD utilizzando le potenti funzioni di reverse engineering di WM | PointMaster e WM |, in cui vengono integrati i dati degli utensili esistenti.

WENZEL Per i componenti critici prodotti in modo additivo, la serie exaCT offre misure precise della geometria interna ed esterna e un rilevamento affidabile dei difetti. Guardate questo breve video per avere una panoramica grafica di questo prezioso strumento.

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