L’innovazione nella misura del fascio porta l’AM a un nuovo livello
L’industria della lavorazione dei metalli sta cambiando. I metodi di produzione additiva, anche in combinazione con i processi di lavorazione, stanno nascendo processi più efficienti e progetti innovativi. Reichenbacher Hamuel GmbH ne ha riconosciuto il potenziale. In breve tempo, l’azienda è riuscita a sviluppare sistemi di produzione additiva industriale basati sul processo laser a letto di polvere. La tecnologia di misura appropriata ha un’influenza decisiva: l’azienda si affida al sistema compatto Ophir BeamPeek di MKS Instruments per l’analisi del fascio e la misurazione della potenza nei reparti ricerca e sviluppo, controllo qualità e manutenzione. La rapidità e la facilità di utilizzo del sistema hanno convinto il team, così come le ampie possibilità di misura.
di Dagmar Ecker
Reichenbacher è conosciuta in tutto il mondo soprattutto per i suoi centri di lavoro CNC a 5 assi di alta qualità, utilizzati nella costruzione di aerei, automobili, navi e veicoli ferroviari, nonché nell’industria della lavorazione del legno o dai produttori di componenti in alluminio, plastica o materiali compositi. Nel campo della lavorazione dei metalli, l’azienda, che fa parte del Gruppo SCHERDEL, ha ampliato il proprio portafoglio includendo la progettazione e la produzione di sistemi di produzione additiva industriale di grande formato. Insieme a partner esperti, l’azienda realizza sistemi personalizzati che integrano l’intera catena di processo della fusione a letto di polvere basata sul laser (LPBF). Conoscere e testare i parametri del fascio laser in ogni fase dello sviluppo si è rivelato essenziale, come spiega il dott. Alexander Kawalla-Nam, responsabile della produzione additiva di Reichenbacher: “I sistemi laser per la produzione additiva sono molto complessi. In particolare, i nostri sistemi di grande formato con più sorgenti laser devono essere ottimizzati per garantire la qualità della produzione. Eravamo quindi alla ricerca di un dispositivo di misura per l’intero ciclo di vita dei nostri prodotti, dallo sviluppo alla manutenzione.”
Applicazione AM pronta all’uso
Il team di Reichenbach ha innanzitutto riassunto i requisiti del dispositivo di misura che stava cercando. Per quanto riguarda la gamma di funzioni, il costruttore di macchine era interessato a misurare i singoli parametri del fascio, come il diametro, la posizione, la forma del fascio, la potenza e la densità di potenza, ma anche a visualizzare la caustica del fascio, cioè la rappresentazione del fascio dall’ottica di lavorazione alla messa a fuoco e alla successiva espansione. Altrettanto importante per il team è stata la semplicità di gestione del sistema: “Lavoriamo con polveri metalliche sottili in camere di costruzione spazialmente limitate; volevamo evitare a tutti i costi il raffreddamento ad acqua o ad aria per rendere il sistema il più semplice possibile da usare, anche per i tecnici dell’assistenza”, spiega Lukas Gahn, ingegnere dello sviluppo e delle applicazioni di Reichenbacher.
Innovazione al passo coi tempi
Il team ha iniziato un’analisi di mercato e ha valutato diversi dispositivi di misura per l’applicazione. Durante questa fase, MKS Instruments ha presentato il sistema di analisi Ophir BeamPeek, sviluppato per i requisiti della produzione additiva. Per il dott. Kawalla-Nam si trattava di un momento ideale: “Il sistema BeamPeek ci è piaciuto subito: È compatto e non richiede il raffreddamento ad acqua o ad aria. Il software di analisi semiautomatico ci permette di calcolare i parametri caustici del fascio e di visualizzare graficamente le caustiche in relazione al livello di accumulo nella camera AM. In qualità di beta tester, abbiamo avuto l’opportunità di trasmettere al team di sviluppo suggerimenti per l’ottimizzazione”. L’innovativo dispositivo di misura utilizza un concetto brevettato per assorbire la potenza laser risultante, basato su inserti di raffreddamento intercambiabili. In questo modo si evitano i tempi di inattività tra una misurazione e l’altra, senza dover utilizzare acqua o ventilatori attivi nello spazio di installazione. Il sistema BeamPeek è quindi ideale per la misurazione dei laser nei sistemi LPBF di Reichenbach. Fornisce il profilo del fascio, l’analisi della messa a fuoco e la misurazione della potenza, nonché la caustica del fascio in pochi secondi.
La flessibilità nell’AM fa risparmiare tempo e denaro
I sistemi di produzione additiva di Reichenbacher sono personalizzati in base alle esigenze del cliente e sono sistemi aperti anche per quanto riguarda il materiale utilizzato. Per ottimizzare le varie sorgenti laser, le ottiche e i materiali, i parametri del fascio devono essere ripetutamente misurati e confrontati. Nella AMS 800, con un volume di costruzione di 800 x 800 x 500 mm, e nella AMS 400, con un volume di costruzione di 400 x 400 x 500 mm, quattro laser a fibre ottiche, ciascuno con una potenza laser di 1 kW, lavorano insieme su un lavoro di stampa. La qualità di produzione del componente prodotto può essere garantita solo se tutti i sistemi laser corrispondono esattamente alle specifiche. Il team utilizza già regolarmente il dispositivo di misurazione Ophir durante il processo di sviluppo: “Poiché lasciamo al cliente la libertà di scegliere la polvere, anche la sorgente laser utilizzata varia. Il sistema BeamPeek ci fornisce molto rapidamente tutti i parametri rilevanti, sia per la valutazione delle sorgenti laser che per la configurazione dell’impianto laser. Questo ci fa risparmiare tempo prezioso per lo sviluppo”, riferisce il dottor Kawalla-Nam.
Individuare rapidamente le fonti di guasto
Il sistema di analisi del fascio fornisce anche informazioni cruciali per la risoluzione dei problemi, come mostra l’esempio seguente. A seguito di una misura di ottimizzazione del vetro protettivo per i sistemi ottici di un impianto, il team ha effettuato una misura di controllo con il sistema BeamPeek. Lo scopo fondamentale della misurazione era quello di registrare i parametri del fascio laser dopo la modifica, per verificare il successo dell’ottimizzazione mediante un confronto tra il prima e il dopo. Sono stati misurati sia il diametro del fascio laser su vari piani sia la potenza del laser sul piano focale. I valori misurati presentavano deviazioni inspiegabili. Il motivo è apparso subito chiaro osservando la forma del fascio: era improvvisamente ellittico sul piano focale. Dopo aver controllato i componenti ottici, il problema è stato attribuito alla contaminazione del lato superiore del vetro di protezione (non accessibile dalla camera di costruzione). Dopo aver rimosso e pulito il vetro protettivo contaminato, una nuova misurazione di controllo dopo il reinserimento del vetro protettivo ha mostrato un fascio laser quasi rotondo sul piano focale per l’intero intervallo di potenza tra 80W-1000W (vedere le Figure 3 e 4).
Una partnership con un futuro
La misurazione dei raggi laser a livello di costruzione è essenziale per il team del dottor Kawalla-Nam. La forma del fascio, la potenza del laser e l’acustica del fascio sono parametri fondamentali per garantire la qualità del sistema e quindi anche la qualità della produzione. Quando si tratta di misurare solo la potenza del laser, il team utilizza anche il misuratore di potenza Ophir Ariel, ancora più compatto. Nella maggior parte dei casi, Lukas Gahn finisce per utilizzare il sistema BeamPeek: “Ophir Ariel è ottimo quando si tratta di misurare la sola potenza del laser. Poiché siamo interessati soprattutto alla caustica del fascio, spesso optiamo per una misurazione con il sistema BeamPeek. Anche in questo caso, l’impostazione della misura richiede solo pochi minuti e la misura stessa pochi secondi”.