Migliorare la produzione additiva con la termografia

Apr 19, 2023

Per oltre un decennio, il settore edile si è affidato alla produzione additiva per creare modelli architettonici, prototipi e parti di uso finale. Questo processo, che prevede la costruzione di parti strato per strato utilizzando una stampante 3D, consente agli utenti di costruire rapidamente parti geometricamente complesse, automatizzare il processo di produzione e utilizzare materiali specifici a seconda dell’applicazione.

Sebbene la produzione additiva abbia il potenziale per aumentare la sicurezza dei lavoratori e aumentare la produttività nel settore edile, i difetti strutturali che si formano durante il processo di costruzione hanno impedito che questo approccio venisse ampiamente adottato.

I ricercatori dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno recentemente sviluppato un nuovo metodo per rilevare e prevedere i difetti nei materiali stampati in 3D, che potrebbe trasformare il processo di produzione additiva.

Nel loro studio, gli scienziati dell’Argonne, dell’Università della Virginia e di diverse altre istituzioni hanno utilizzato varie tecniche di imaging per rilevare in tempo reale la formazione di pori nei metalli stampati in 3D. I campioni di metallo utilizzati dai ricercatori sono stati creati utilizzando un processo chiamato fusione laser a letto di polvere, in cui la polvere metallica viene riscaldata da un laser e poi fusa nella forma corretta. Ma questo approccio spesso porta alla formazione di pori che possono compromettere le prestazioni di un componente.

Molte macchine per la produzione additiva sono dotate di sensori di imaging termico che monitorano il processo di costruzione, ma questi sensori possono non rilevare la formazione dei pori perché visualizzano solo la superficie delle parti da costruire. L'unico modo per rilevare direttamente i pori all'interno di parti metalliche dense è utilizzare intensi fasci di raggi X, come quelli dell'Advanced Photon Source di Argonne.

Gli strumenti a raggi X di Argonne possono catturare più di un milione di immagini al secondo, il che ha permesso ai ricercatori di vedere la generazione dei pori in tempo reale. Quindi, hanno confrontato le immagini a raggi X della generazione dei pori con le immagini termiche generate dalla macchina per la produzione additiva. Hanno scoperto che i pori formati all'interno di una parte metallica causano impronte termiche distinte sulla superficie che le termocamere possono rilevare.

Una volta identificate le firme termiche che possono essere rilevate dalle macchine per la produzione additiva, i ricercatori hanno addestrato un modello di apprendimento automatico per prevedere la formazione di pori all’interno dei metalli 3D. Hanno convalidato il modello utilizzando i dati delle immagini a raggi X, che sapevano riflettevano accuratamente la generazione di pori nei campioni di metallo utilizzati.

Quindi, hanno testato se il loro modello potesse rilevare segnali termici e prevedere la generazione di pori in una nuova serie di campioni. Gli scienziati hanno scoperto che il loro nuovo metodo raggiungeva una previsione quasi perfetta della generazione dei pori in tempo reale.

Sebbene molte macchine per la produzione additiva sul mercato dispongano già di sensori, non sono così precise come il metodo sviluppato dai ricercatori. Ma invece di dover costruire nuove macchine per la produzione additiva, il metodo può essere facilmente implementato nei sistemi commerciali esistenti dotati di termocamere.

Incorporare questo nuovo metodo nelle macchine attuali può aiutare gli utenti a identificare dove vengono generati i pori durante il processo di stampa, fornendo loro le informazioni di cui hanno bisogno per regolare i parametri o interrompere del tutto la costruzione. In alcuni casi, una macchina può interrompere automaticamente la costruzione di una parte se viene rilevato un difetto grave nelle prime fasi del processo di produzione additiva, facendo risparmiare agli utenti tempo, materiali e denaro.

Il nuovo metodo può anche avvantaggiare gli utenti dopo la stampa di una parte, consentendo loro di risparmiare tempo durante il processo di ispezione. Nello specifico, la macchina crea un file di registro che documenta la posizione in cui potrebbero trovarsi i difetti dei pori all'interno di una parte. Gli ispettori possono quindi utilizzare questo file di registro per esaminare posizioni specifiche invece di analizzare ogni aspetto della parte.

L’obiettivo finale nello sviluppo di questo approccio è creare un sistema che non solo rilevi i difetti ma li ripari anche durante il processo di produzione additiva.

Andando avanti, i ricercatori intendono studiare sensori in grado di rilevare altri tipi di difetti. Sperano di sviluppare un sistema completo in grado di dire agli utenti non solo dove potrebbero verificarsi i difetti, ma anche di che tipo di difetto si tratta e come risolverlo.