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NOTE TECNICHE TECHNICAL NOTES
Particolari finiti
senza truciolo
Finished parts without chips
Ecco come funziona la tecnologia Selective Laser Melting
a cura della redazione
[email protected]
Here’s how the Selective Laser Melting technology works
I
l processo inizia con la distribuzione di un sottile strato di polvere sulla tavola da parte del
wiper: l’uniformità e l’assenza di “vuoti” sono
fondamentali. (Cortesia ReaLizer)
Ormai da qualche anno la prototipazione rapida si è capillarmente diffusa, grazie al crollo
dei costi delle macchine più semplici: parliamo
però di bozzetti per valutazione estetica o ergonomica in materie plastiche. Facciamo subito una distinzione: qui parleremo di macchine,
certamente costose e di gestione più complessa,
ma in grado di realizzare prototipi funzionali
di parti meccaniche fortemente sollecitate utilizzando leghe di acciaio o titanio ad alta resistenza (le tensioni di snervamento possono superare
i 1000 MPa…).
The process begins with the distribution of a
thin layer of powder on the table by the wiper: uniformity and absence of “vacuum” are
essential. (Courtesy ReaLizer)
For a few years rapid prototyping has been
widely spread, thanks to the drop of simpler
machines’ cost: but we are speaking about
sketches for aesthetic or ergonomic assessment of plastics. We must make a distinction: here we will talk about machines, certainly expensive and more complex as for
management, but able to realize functional
prototypes of highly stressed mechanical
parts by using high strength steel or titanium alloys (yield stress may exceed 1000
MPa...).
Il principio di funzionamento
Operating principle
Come spesso accade, a livello teorico-concettuale, il principio di funzionamento è intuitivo: sono
molte però le difficoltà che rendono necessari
diversi accorgimenti pratici per ottenere un processo affidabile ed automatizzato. La meccanica della macchina è molto semplice: gli assi in
movimento agiscono su materiale in polvere; le
forze applicate sono modestissime e di conseguenza i motori hanno consumi elettrici ridotti e
la struttura della macchina è molto più leggera
rispetto alle tradizionali macchine utensili. La
As it often happens, at a theoretical-conceptual level, the operating principle is intuitive:
though there are many difficulties that make
several practical measures to be taken in
order to achieve a reliable and automated
process. The machine’s mechanics are very
simple: the axes in motion act upon material
in powder form; the applied forces are very
moderate and therefore the engines have reduced electrical consumption and the structure of the machine is much lighter than tra- 47
tavola su cui sarà realizzato il pezzo è fissata
ad un movimento verticale (convenzionalmente
asse Z della macchina). Un’apposita barra, detta wiper, scorrendo sul piano XY distribuisce uniformemente sulla tavola un sottile strato di polvere. Il laser, solitamente di potenza compresa tra
i 100 ed i 400 Watt viene direzionato sul piano
mediante specchi (assi convenzionali X ed Y della macchina) “disegnando” una fetta del solido
da realizzare. La precisione del processo viene
garantita dall’elevata selettività: la zona colpita
dal laser focalizzato ha un diametro compreso
tra i 10 ed i 50 micron. Esistono varianti del
processo in cui si utilizza un fascio elettronico in
luogo del laser. Terminata la scansione la tavola
si sposta verso il basso in Z per una distanza
compresa tra i 20 ed i 100 micron, che può
essere definita come “avanzamento” ed il wiper distribuisce un altro strato (layer) di polvere
su cui verrà “disegnata” la fetta successiva. Il
processo di fusione della polvere deve avvenire
in atmosfera inerte controllata (Ossigeno inferiore a 500 ppm): prima dell’inizio del processo
viene aspirata l’aria e la camera viene riempita
con gas inerte, usualmente Argon. Ciò è necessario sia per motivi di sicurezza (le polveri, ad
esempio di Alluminio, sono altamente infiammabili e possono creare esplosioni innescandosi a
causa di correnti statiche dovute a sfregamenti),
sia perché gli ossidi possono comportarsi come
scorie ed ostacolare il processo di fusione e
successiva solidificazione, causando uno scadimento delle proprietà dei materiali.
ditional machine tools. The board on which
the piece will be created is fixed on a vertical movement (conventionally the Z axis of
the machine). A special bar, called wiper,
evenly running on the XY plane distributes a
thin layer of powder on the board. The laser, usually powered between 100 and 400
Watts is directed on the plane through mirrors (X and Y conventional axes of the machine) “drawing” a slice of the solid to be
created. The accuracy of the process is ensured by high selectivity: the area affected
by the focused laser has a diameter between
10 and 50 microns. There are variants of the
process in which an electron beam is used
instead of lasers. After scanning, the board
moves down to Z for a distance between 20
and 100 micron, which can be defined as
“progress” and the wiper spreads another
layer (layer) of powder on which the next
slice will be “designed”. The fusion process
of powder must take place in controlled inert atmosphere (oxygen less than 500 ppm):
before the beginning of the process air is
sucked in and the room is filled with inert
gas, usually Argon. This is necessary for security purposes (aluminum powders, for example, are highly flammable and can create
explosions caused by static currents due to
friction), and because the oxides can act as
slag and hinder the process of fusion and
solidification, later causing a deterioration
of the materials’ properties.
La polvere è preziosa, ma il processo
non spreca nulla
Powder is precious, but the process
doesn’t waste anything
Al termine della realizzazione del pezzo (build)
il pezzo finito, che nelle macchine più grandi
può essere alto fino a 500 mm, si troverà interamente coperto di polvere non utilizzata. A questo punto un operatore alza la tavola e sposta la
polvere non solidificata nel meccanismo di setac-
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After the completion of the piece (build) the
finished piece, which in bigger machines
can be up to 500 mm, will be entirely covered in unused powder. At this point an
operator lifts the board and moves the notsolidified powder into the sieving mechanism for complete re-use. The raw material
consists of controlled granulometry powder
(normally within 25 microns) obtained by
atomization. Due to the special production
process, the cost of raw materials is high
(by a few hundred Euros per kg), this technology isn’t recommended for the realization of large parts. However, it should be
remembered that the waste material is virtually non-existent since the unfused powder
at the end of the process is sifted and almost
completely reused. After removing the piece
from the board and mechanically eliminat-
ciatura per un suo completo riutilizzo. Il materiale grezzo è costituito da polvere a granulometria
controllata (normalmente entro i 25 micron) ottenuta per atomizzazione. A causa del particolare
processo produttivo, il costo della materia prima
è elevato (si parte da qualche centinaio di Euro
al kg), questa tecnologia non si presta quindi a
realizzare parti di grandi dimensioni. Va tuttavia
ricordato che il materiale di scarto è virtualmente
nullo poiché la polvere non fusa a fine processo
viene setacciata e quasi completamente riutilizzata. Dopo aver rimosso il pezzo dalla tavola
ed eliminati meccanicamente gli eventuali supporti (sottili colonne o membrane di materiale,
necessarie a sostenere certi tipi di geometrie per
evitare che possano “affondare” nella polvere),
a seconda della finitura desiderata, sarà necessaria la sabbiatura, il lavaggio o una semplice
pulitura con aria compressa.
Una serie di particolari appena estratti della polvere (ancora ben visibile in basso). Le forme più
complesse devono essere adeguatamente supportate: per facilitare la rimozione dei supporti
è possibile lavorare sul punto di ancoraggio al
pezzo via software.
Dal CAD al pezzo finito: il disegno tecnico non
serve piu?
Un esempio di software per l’elaborazione dei
files CAD: prima di convertirli nel formato da
inviare alla macchina è possibile riempire i vuoti
con microstrutture reticolari e aggiungere i necessari supporti temporanei.
Per poter essere utilizzati dalla macchina, i dati
CAD devono essere integrati con altre informazioni ed opportunamente trattati. A partire dai diversi formati proprietari o anche da formati CAD
standardizzati, quali IGES o STEP, è necessario
convertire il file nel formato STL (Standard Tessellation Language). Ad oggi ormai tutti i sistemi
CAD utilizzati in ambito professionale possono
generare questo tipo di files. Tale formato, inizialmente creato da 3D Systems per la prototipazione rapida mediante stereolitografia, contiene
soltanto la superficie del modello tridimensionale
triangolarizzata (cioè approssimata mediante piccoli triangoli). Lo standard prevede che i singoli
triangoli siano identificati mediante le coordinate
dei vertici rispetto ad un sistema cartesiano di coordinate ed il vettore di orientamento della superficie, salvati normalmente in formato binario. Il file
in formato STL deve essere processato attraverso
appositi software che effettuano essenzialmente
tre operazioni. Il sistema innanzitutto, analizza la
geometria del pezzo, ed in particolare la base
ing any support (thin columns or material
membranes needed to support certain types
of geometries to avoid their “sinking” in the
powder), depending on the desired finishing, blasting, washing or a simple cleaning
with compressed air will be required.
A series of details just extracted from the powder (still visible below).
The more complex forms must be adequately
supported: to facilitate the removal of supports
it is possible to work on the anchor point to the
work piece via software.
From CAD to finished piece: technical drawing
is no more needed?
An example of software for CAD files processing: before converting them in the format to be
sent to the machine you can fill vacuum with
reticular microstructure and add the necessary
temporary supports.
In order to be used by the machine, CAD
data must be integrated with other information and adequately treated. Starting from
several proprietary formats or by standardized CAD formats such as IGES or STEP, it
is necessary to convert the file in STL format
(Standard Tessellation Language). To date
almost all CAD systems used in the professional sector can generate this type of files.
Such format, initially created by 3D Systems
for rapid prototyping through stereo-lithography, contains only the surface of 3-dimensional triangular model (i.e. approximated
through small triangles). The standard requires the individual triangles to be identified using the coordinates of the vertexes
instead of a Cartesian coordinate system
and the surface orientation vector, normally
saved in binary format. The STL format file
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di appoggio, le zone sospese (ossia volumi che, per l’orientamento del pezzo sulla
tavola, si verrebbero a trovare supportati esclusivamene
da polvere) e le parti cave
suggerendo
all’operatore,
mediante interfaccia grafica,
dove è necessario posizionare supporti. I supporti consistono in piccole colonne o
membrane che rinforzano il
pezzo, evitando che possa scomporsi per gravità o deformarsi a causa del calore all’atto della
fusione localizzata della polvere; sono attaccati
al pezzo attraverso una sezione molto piccola, in
modo da poter essere poi facilmente rimossi, a
mano o con pinze e piccoli scalpelli. Un’altra interessante funzione è quella che permette di sostituire dei volumi (pieni o cavi) con micro-strutture reticolari (lattice structures). Si tratta di una funzione
utilissima quando si parte da zero nel pensare il
pezzo utilizzando l’approccio funzionale: mettere
materiale solo dove serve, unendo le varie zone
solo col materiale strettamente necessario. Se il
pezzo è realizzato per asportazione di truciolo,
si toglie materiale solo dove serve perché a maggior lavorazione corrisponde maggior costo: con
la tecnologia SLM invece, lasciare materiale solo
dove necessario rappresenta un risparmio perché
si utilizza meno polvere! Il pezzo da prototipare
viene quindi virtualmente sezionato lungo l’asse
Z con spaziatura tra le sezioni pari allo spessore
desiderato per il singolo strato permettendo così
di riprodurre la geometria del volume solido costituito dal pezzo con i supporti: il solido è quindi
descritto come una successione di molte sezioni
equispaziate (slices). L’ultimo passaggio è l’inserimento dei parametri laser relativi al materiale che
si intende utilizzare, da cui dipende fortemente il
risultato finale: è possibile ad esempio regolare
la potenza, la velocità di passata, la modalità di
scansione delle aree, il tutto separatamente per i
supporti, i contorni (che diverranno poi l’esterno
del pezzo), l’interno. Benché a scopo di ricerca
sia possibile variare tali parametri, a causa del
numero e dell’interdipendenza degli stessi si tratta
di un’operazione complicata. Per questo i produttori forniscono apposite librerie di materiali da cui
il software acquisisce automaticamente i parametri standard. Si ottiene così un file, di solito con
estensione .sli o .cli che può essere trasferito alla
macchina.
must be processed through special software
that performs three operating processes.
First of all the system analyzes the geometry of the piece, and in particular the base
plate, hanging areas (i.e. volumes which,
for the orientation of the workpiece on the
board, would be supported entirely by powder) and empty parts suggesting the operator, through graphical interface, where
it is needed to position the supports. The
supports consist of small columns or membranes that strengthen the piece, to prevent
gravity or deformation due to heat during
powder localized fusion; they are attached
to the piece through a tiny section, so to be
easily removed by hand or with pliers and
small chisels. Another interesting feature is
the one that allows replacing the volumes
(full or empty) with reticular micro-structures
(lattice structures). It is a very useful feature
when you start from conceiving the piece
using the functional approach: putting material only where it is needed, combining
various areas only with the necessary material. If the piece is made by chip removal,
material is removed only where it is needed
because more processing means more cost:
with SLM technology instead, leaving material only where it is needed, represents a
saving because you use less powder! The
prototype is then virtually isolated along the
z-axis with spacing between the sections
equal to the desired thickness for single
layer allowing to reproduce the geometry of
the solid volume formed by the piece with
its supports: the solid is then described as
a succession of many equally spaced sections (slices). The last step is the inclusion
of laser parameters relating to the material
that will be used: the final result strongly
depends on this. For example, you can adjust power, speed, areas’ scan mode, all
separately for supports, contours (which will
become the outside part of the piece), the
inside. Although for research purposes these
parameters can vary, due to the number and
interdependence of the same, it is a complicated operation. For this reason manufacturers provide special libraries with materials
from which the software automatically scans
the standard parameters. This creates a file,
usually with .sli or .cli extension which can
be transferred to the machine.
Fonte: http://www.clickthegear.it
Source: http://www.clickthegear.it