Deceraggio termico nella manifattura additiva dei metalli

L’incremento nel mondo del metal additive manufacturing dell’utilizzo di metodi quali il Metal Injection Moulding (MIM), il Binder Jetting (BJ) e il Fused Deposition Modeling (FDM), ha spinto TAV VACUUM FURNACES a progettare e installare un forno a vuoto per deceraggio termico nel proprio laboratorio di Ricerca e Sviluppo.

La manifattura additiva è una tecnologia di produzione che sta guadagnando sempre più terreno tra i metallurgisti. Il processo coinvolge tutte le tecniche utilizzate per creare oggetti metallici 3D da un design digitale.

Alcune delle ragioni per approcciare queste nuove tecnologie sono:

• i costi delle stampanti 3D sono in calo, grazie ai notevoli passi avanti ottenuti dalla tecnologia;

• non esistono più i limiti geometrici imposti dalla manifattura sottrattiva;

• è possibile creare molteplici versioni dello stesso prodotto, senza che vari il costo di produzione;

• si ottiene una drastica riduzione degli scarti di lavorazione

Il notevole incremento nel mondo del metal additive manufacturing dell’utilizzo di metodi quali il Metal Injection Moulding (MIM), il Binder Jetting (BJ) e il Fused Deposition Modeling (FDM), ha spinto TAV VACUUM FURNACES a progettare e installare un forno a vuoto per deceraggio termico nel proprio laboratorio di Ricerca e Sviluppo, al fine di sperimentare le migliori soluzioni per questa delicata fase di post-produzione.

Cos’è il deceraggio termico nella manifattura additiva dei metalli?

La manifattura additiva non può prescindere dal processo di deceraggio termico post stampa. La stampa dei campioni viene realizzata grazie all’estrusione di una miscela di polvere metallica e polimero fino ad ottenere la forma e le dimensioni desiderate. I polimeri, chiamati anche binder, sono costituiti da una miscela di composti organici di tipologia e quantità differenti, con diversi punti di fusione. Il deceraggio termico ha lo scopo di separare i polimeri dalla polvere metallica ottenendo così un campione da sinterizzare. In poche parole, il trattamento di debinding consiste nell’evaporazione completa del legante per privare il campione metallico di ogni composto organico, lasciandolo intatto per la successiva sinterizzazione in vuoto.

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Come si ottiene il deceraggio dopo la stampa 3D del metallo

L’impianto da deceratura del laboratorio R&S di TAV VACUUM FURNACES è in grado di asportare il polimero e condensarlo in specifiche trappole evitando contaminazioni della camera termica e dei campioni nelle successive fasi di lavorazione. Il forno da debinding del laboratorio è quindi dotato di differenti peculiarità tecniche in grado di soddisfare i requisiti richiesti dal mondo additive manufacturing.

Il sistema di riscaldamento

• Il sistema di riscaldamento, che gioca un ruolo fondamentale nel processo di deceraggio, è basato sui seguenti componenti:

• resistenze corazzate: costituiscono il sistema di riscaldamento, interponendosi nel coibente tra il forno e la storta, o anche chiamata camera termica;

• termocoppie di controllo: regolano il processo e vengono poste sia nel forno che nella camera termica al fine di raggiungere la temperatura impostata con un alto grado di precisione.

Le temperature di lavoro nella fase di deceraggio sono comprese nell’intervallo tra i 70 e i 450 °C, corrispondenti alle temperature di fusione dei diversi composti organici.

Il gas

Un ruolo essenziale nella deceratura è costituito dalla presenza di gas inerte. I gas agiscono come vettore (carrier) dei componenti degradanti evitando fenomeni di ossidazione e riduzione sulla superficie metallica del campione. Il forno è predisposto per il deceraggio di diversi materiali con gas differenti: per gli acciai inossidabili, ferro e Inconel viene utilizzato l’azoto; per le leghe in titanio (come il Ti-6Al-4V) è possibile l’utilizzo di argon.
Durante il ciclo termico è fondamentale assicurarsi una distribuzione omogenea del gas carrier nella camera termica in modo da garantire la rimozione omogenea dei polimeri dal campione. In particolar modo, TAV VACUUM FURNACES ha installato una girante di convezione in grado di uniformare il flusso di gas all’interno del suo forno in vuoto.

Come evitare le contaminazioni durante la deceratura

Nella fase di degradazione dei polimeri, il legante evaporato può condensare come liquido o come polvere. Per questa ragione TAV VACUUM FURNACES ha progettato e installato contenitori in grado di raccogliere i prodotti di degradazione della deceratura. La raccolta, localizzata in specifici sistemi di stoccaggio, consente una rimozione specifica dello stearato escludendo la contaminazione della camera termica e dei campioni stessi.
La soluzione ideale è installare in serie un serbatoio di stoccaggio e una trappola, il tutto coadiuvato da un efficiente impianto di raffreddamento.
Il serbatoio di stoccaggio è adibito alla raccolta dello stearato che condensa sulle pareti fredde in fase liquida. In caso di eccessivo accumulo di binder post processo nel serbatoio, quest’ultimo può essere smontato e pulito. I prodotti di degrado in forma solida vengono invece concentrati in una speciale trappola. La trappola è costituita da serpentine in rame raffreddate ad acqua circondate da paglia metallica. Inoltre, sono presenti griglie in acciaio con maglie via via più fini dal basso verso l’alto in grado di filtrare con efficacia crescente la cera decomposta. Il sistema di raffreddamento del forno è provvisto di una girante presente nella zona sottostante dell’impianto. La girante di raffreddamento ha lo scopo di aspirare aria dall’esterno trasferendola al forno evitando di entrare in contatto con la camera termica. La crescente pervasività della manifattura additiva sia a livello tecnologico che commerciale, ha portato TAV VACUUM FURNACES ad affrontare e sostenere questa tecnologia con impianti sempre più specifici per la deceratura e sinterizzazione.