Metodologie avanzate per la caratterizzazione delle polveri metalliche e la quantificazione della polvere intrappolata in componenti prodotti mediante fabbricazione additiva

Negli ultimi anni, la fabbricazione additiva (additive manufacturing, AM) di metalli, e in particolare il processo denominato laser powder bed fusion (PBF-LB), si è affermata per la capacità unica di realizzare componenti ad elevata complessità geometria e prestazioni avanzate, non ottenibili mediante tecniche di produzione convenzionali. Nonostante i vantaggi, la qualità dei prodotti realizzati ha ancora dei limiti importanti, tra cui la presenza intrinseca di porosità interne, difetti superficiali e distorsioni geometriche. Questi problemi derivano dalle complesse dinamiche del processo di PBF-LB, a partire dalla polvere di partenza utilizzata, che spesso è ottenuta dal blend tra polveri vergini e polveri non processate, recuperate da fabbricazioni precedenti. La relazione tra le caratteristiche dimensionali e geometriche delle polveri metalliche, e la qualità dei prodotti realizzati non è ancora del tutto chiara, e richiede la misura accurata e tridimensionale delle polveri stesse. Un altro aspetto rilevante, che limita l’utilizzo del PBF-LB per la produzione di componenti critici - come scambiatori di calore canali di raffreddamento conformali, e impianti protesici con architettura trabecolare - riguarda le polveri non processate che restano intrappolate all’interno del componente e che sono considerate una contaminazione. Ad oggi, non esistono ancora metodi affidabili per la valutazione accurata della polvere intrappolata. Questo lavoro di tesi si propone di sviluppare dei metodi basati sull’utilizzo della tomografia computerizzata a raggi X (CT) per: (i) la misura tridimensionale e accurata delle polveri metalliche utilizzate nel processo di PBF-LB - necessaria per poi approfondire la relazione tra caratteristiche della polvere e difetti del componente - e (ii) la valutazione affidabile delle polveri intrappolate. Per quanto riguarda il primo aspetto, è stata sviluppata una procedura di analisi tomografica finalizzata all’ottimizzazione dei parametri di segmentazione e al miglioramento dell’accuratezza della misura. La procedura è stata applicata su campioni di polvere vergine e su campioni di polvere da recuperare, provenienti da diverse zone della piattaforma di stampa al termine del processo. Per quanto riguarda il secondo aspetto, è stata invece sviluppata una metodologia innovativa basata su scansioni multiple realizzate con diverse orientazioni del componente in esame. Il cambio di orientazione consente di evidenziare la polvere intrappolata e non adesa alle superfici, studiandone lo spostamento spaziale. La metodologia è stata verificata sia mediante simulazioni tomografiche, sia mediante casi applicativi reali contenenti un volume noto di polvere intrappolata. Inoltre, è stata studiata la possibilità di implementare il metodo anche con dimensioni del voxel elevate (fino a 125 micron), tipicamente non utilizzabili per la misura delle polveri, per abilitarne l’applicazione anche a componenti con dimensioni importanti (attualmente fino a 250 millimetri di inviluppo).