Perché la produzione additiva richiede un approccio diverso ai test meccanici
Dalla prototipazione alla produzione: cosa cambia quando la produzione additiva si espande
La produzione additiva, più comunemente nota come stampa 3D, si è evoluta ben oltre il suo ruolo iniziale di strumento di prototipazione rapida. Oggi viene sempre più utilizzata per la produzione in serie di componenti funzionali e portanti in un'ampia gamma di settori. Con l'accelerazione dell'adozione, cresce anche la necessità di test meccanici ripetibili e accurati per garantire prestazioni, affidabilità e conformità normativa.
Questa serie di articoli esplora i fondamenti della produzione additiva, le sfide di test uniche associate ai componenti prodotti in modo additivo e come il giusto approccio di test, e il giusto partner di test, consenta agli ingegneri di portare con fiducia la produzione additiva dallo sviluppo alla produzione.
Cos'è la produzione additiva?
La produzione additiva è il processo di creazione di oggetti aggiungendo materiale strato per strato direttamente da un modello digitale. Questo approccio contrasta con la produzione sottrattiva tradizionale, in cui il materiale viene rimosso da un blocco solido mediante lavorazione meccanica.
Questo metodo strato per strato offre diversi vantaggi significativi. La produzione additiva fornisce una libertà di progettazione senza pari, consentendo caratteristiche interne complesse, strutture reticolari e geometrie che sarebbero impraticabili o impossibili da lavorare meccanicamente. Supporta inoltre un'iterazione rapida, riducendo drasticamente i cicli di sviluppo dal concetto al componente fisico. Inoltre, la produzione additiva può essere molto conveniente per la produzione a basso e medio volume grazie ai requisiti minimi di attrezzatura, riducendo al contempo gli sprechi di materiale. Questi vantaggi rendono la produzione additiva particolarmente interessante per la produzione personalizzata e su richiesta.
Tuttavia, questi stessi vantaggi introducono nuove variabili che devono essere comprese, misurate e controllate attraverso test di alta qualità.
Principali tecnologie di produzione additiva
Un'ampia gamma di tecnologie additive è ora utilizzata nelle applicazioni industriali, ciascuna con i propri comportamenti dei materiali e requisiti di test.
La modellazione a deposizione fusa (FDM) è uno dei processi di produzione additiva più riconosciuti. Funziona fondendo ed estrudendo un filamento attraverso un ugello, utilizzando tipicamente termoplastici. Sebbene storicamente limitata ai polimeri, la FDM è ora disponibile anche per metalli e compositi rinforzati con fibre.
La deposizione di energia diretta (DED) è un processo in cui l'energia focalizzata fonde il materiale mentre viene depositato, con la produzione additiva ad arco con filo (WAAM) che è una variante DED ad alto tasso di deposizione che è effettivamente un processo di saldatura controllato. La WAAM è particolarmente adatta per la produzione di componenti metallici di grandi dimensioni e offre una soluzione più conveniente per costruzioni metalliche su larga scala.
Le tecnologie di fusione a letto di polvere utilizzano una fonte di calore per fondere il materiale in polvere strato per strato, tra cui:
- Fusione laser selettiva (SLM) per componenti metallici ad alta densità
- Sinterizzazione laser selettiva (SLS) per componenti polimerici
- Fusione a fascio di elettroni (EBM) per metalli reattivi come il titanio
- Sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS) per applicazioni metalliche di precisione
Altri processi come il binder jetting e la stereolitografia (SLA) continuano ad espandere il panorama della produzione additiva, aumentando ulteriormente la diversità di materiali e requisiti di test che gli ingegneri devono gestire.
Tendenze e crescita del mercato
La produzione additiva è ora utilizzata per metalli, polimeri, ceramiche e compositi, con un'adozione che abbraccia aerospaziale, automotive, biomedicale, elettronica, edilizia, attrezzature e beni di consumo. Il mercato globale è attualmente valutato in decine di miliardi di dollari e si prevede che crescerà rapidamente nel prossimo decennio.
Le aree chiave di crescita includono materiali nuovi e ottimizzati come nuove leghe metalliche e materiali sostenibili, stampa multi-materiale per componenti con proprietà spazialmente variabili e progettazione, processo e ottimizzazione della qualità guidati dall'intelligenza artificiale.
Man mano che la produzione additiva diventa un percorso di produzione fondamentale per componenti strutturali e critici per la sicurezza, i test meccanici dei componenti prodotti in modo additivo vengono visti più frequentemente non solo per la ricerca e la qualificazione, ma anche per la validazione e la certificazione.
Sfide nella produzione additiva
Quando si considerano le proprietà meccaniche dei componenti prodotti in modo additivo, diverse sfide tecniche influenzano direttamente le prestazioni meccaniche.
I componenti prodotti in modo additivo presentano frequentemente difetti come porosità, mancanza di fusione e rugosità superficiale, che possono portare a debolezza meccanica. Questi si verificano perché i componenti sono effettivamente composti da migliaia di piccole "fusioni" incrementali, ciascuna delle quali introduce potenziali imperfezioni. Le tecniche di post-elaborazione come la lavorazione meccanica e il trattamento termico possono ridurre questi problemi, ma non possono eliminarli completamente.
Un'altra sfida importante è l'aumento della variabilità nelle proprietà dei materiali. Le variazioni all'interno di un singolo componente, denominate disomogeneità, possono verificarsi a causa delle differenze nella dissipazione del calore lungo i percorsi di stampa. Inoltre, la variabilità può verificarsi da componente a componente, da operatore a operatore, da macchina a macchina e con i parametri di processo e produzione. Questa variabilità può influire sulla dimensione del campione richiesta per dati affidabili.
Infine, i componenti prodotti in modo additivo mostrano spesso proprietà altamente direzionali, note come anisotropia. Poiché i componenti vengono costruiti strato per strato, le proprietà meccaniche nella direzione di costruzione (Z) sono tipicamente più deboli di quelle nel piano XY. Questo comportamento direzionale ha importanti implicazioni per l'allineamento accurato, il controllo e la ripetibilità durante i test.
L'approccio Instron: test accurati e affidabili
Con la produzione additiva che introduce una maggiore variabilità, una maggiore dispersione dei dati e un forte comportamento direzionale, la qualità del sistema di test è importante quanto il materiale stesso. Test meccanici rigorosi sono essenziali per distinguere il vero comportamento del materiale dagli effetti indotti dal test.
I sistemi di test Instron® sono progettati per fornire la precisione, la stabilità e la ripetibilità richieste per i materiali prodotti in modo additivo, dallo screening iniziale del materiale ai test di qualificazione completi. Combinando misurazioni accurate di carico e deformazione con attrezzature specifiche per l'applicazione e supporto esperto, Instron consente agli ingegneri di generare dati affidabili di cui possono fidarsi.
In un panorama produttivo in cui le prestazioni sono definite da difetti, variabilità e anisotropia, collaborare con un leader nei test come Instron è essenziale per trasformare progetti innovativi in componenti affidabili e pronti per la produzione.
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove è Business Development Manager per ElectroPuls® presso Instron. Il suo background include un MSci dell'Università di Cambridge con focus sulle proprietà superficiali dei componenti prodotti in modo additivo, oltre a ruoli precedenti nei test dei materiali per l'industria della produzione additiva. In Instron, ha ricoperto una serie di ruoli tecnici e commerciali, che le hanno dato una solida comprensione sia della tecnologia che delle sfide dei clienti che affronta.