Additive manufacturing: il beam shaping nei sistemi PBF-LB/M

La fusione laser a letto di polvere del metallo (PBF-LB/M) è la tecnologia per l’additive manufacturing leader per la produzione di parti di alta qualità e precisione da una vasta gamma di metalli. Sfortunatamente la produttività della PBF-LB/M è bassa, limitando il suo uso a parti ad alto costo o alla prototipazione e impedendone l’impiego per la produzione di grandi volumi. 

Una delle ragioni per questa limitazione in produttività è l’impiego di laser a modo singolo con dimensioni fisse dello spot per sistemi PBF-LB/M che consentono la produzione di elementi fini. Tuttavia, le piccole dimensioni dello spot e la forma gaussiana del fascio che ne derivano precludono una produzione più rapida di elementi più grandi. Espandere il fascio lavorando fuori fuoco o usando un obiettivo zoom non risolve il problema perché il profilo del fascio risultante è ancora gaussiano, la cui forma a picco causa il surriscaldamento, con conseguente generazione di fumo, spruzzi e porosità. Invece è necessaria una forma del fascio che generi un profilo di temperatura più piatto. La forma ottimale del fascio dipende da diversi parametri, tra cui le proprietà termiche della polvere, la dimensione dello spot, la velocità di scansione, la potenza ottica e l’obiettivo finale. La sorgente laser per la PBF-LB/M ideale fornirebbe quindi un fascio mono-modale per la produzione di elementi fini e una famiglia di fasci più grandi con forme ottimizzate per la produzione di elementi più grandi. Fino a poco tempo fa, nessuna sorgente laser era in grado di fornire questa versatilità. Il laser a fibra AFX di nLIGHT risolve il problema della produttività della PBF-LB/M fornendo una forma del fascio che è sintonizzabile da un modo singolo vero (gaussiano di 14 µm) a un anello di 40 µm, con numerose forme intermedie per ottimizzare il deposito di calore (vedi alcuni esempi di forma del fascio nella figura in basso).

Alcuni tra i principali integratori di strumenti e laboratori di ricerca hanno dimostrato i vantaggi di AFX nei sistemi PBF-LB/M. I risultati chiave includono:

– aumento di quasi 8 volte della velocità di produzione per la lega di titanio, mantenendo eccellenti proprietà del materiale (densità >99,8%);

– aumento simultaneo del tasso di produzione (di circa 2 volte), della finestra di processo e della qualità del pezzo per l’acciaio inossidabile 316L;

– capacità di controllare la microstruttura e quindi le proprietà del materiale dell’Inconel 718 (con l’azienda Aconity3D);

– drastica riduzione dell’instabilità del melt-pool, con conseguente generazione notevolmente ridotta di fuliggine, spruzzi e pori.

AFX raggiunge questa prestazione rivoluzionaria tramite una nuova tecnologia che permette di sintonizzare la forma del fascio all’interno della fibra ottica (senza ottiche free-space). La fibra di alimentazione AFX è in grado di guidare sia un fascio single-mode che uno ad anello, e il profilo del fascio viene sintonizzato variando la suddivisione della potenza del laser tra queste regioni. I fasci non gaussiani di AFX hanno comunque un’alta qualità, mantenendo una grande profondità di fuoco (finestra di processo) e permettendo l’uso di ottiche e scanner standard. La sintonizzazione del fascio con AFX è molto veloce (<25 ms), permettendo di cambiare il profilo del fascio al volo durante la produzione di un pezzo. 

I vantaggi del beam shaping nel PBF-LB/M

Poiché AFX è una tecnologia interamente in fibra, evita i ben noti svantaggi in termini di affidabilità e prestazioni dei sistemi ottici free-space, compresa la sensibilità alla contaminazione, all’allineamento e alle condizioni ambientali, la perdita ottica e il thermal lensing. AFX è disponibile a livelli di potenza fino a 1,2 kW, e le forme del fascio ottimizzate consentono di utilizzare l’intera potenza mantenendo eccellenti proprietà del materiale, massimizzando i tassi di costruzione della PBF-LB/M. I laser a fibra AFX mantengono tutti i vantaggi standard dei laser a fibra nLIGHT, compresa la stabilità e la sintonizzazione ad alta potenza, l’insensibilità ai riflessi posteriori per una lavorazione ininterrotta dei materiali riflettenti, e la velocità di modulazione leader nel settore (100 kHz) e i tempi di salita e discesa (≤5 ms) per un controllo preciso della deposizione di calore e la sincronizzazione con eventi esterni. Le prestazioni impareggiabili di AFX, le forme di fascio ottimizzate e la regolazione veloce del fascio stanno permettendo una nuova generazione di sistemi PBF-LB/M ad alta produttività per la produzione in serie. 

Nelle figure sono riportati due esempi di applicazione di AFX. Anche con il supporto nella distribuzione e lo sviluppo da parte dell’azienda Optoprim,   sono stati raggiunti risultati eccellenti nell’aumento della produttività e della qualità nell’AM del titanio dall’azienda Aconity3D e dell’acciaio inossidabile dalla Technical University di Monaco (TUM)¹, rispettivamente.