La Directed Energy Deposition (DED) o deposizione ad energia diretta consente la fabbricazione di oggetti 3D utilizzando una fonte di energia focalizzata come laser, fascio di elettroni o plasma, per fondere il materiale depositato da un ugello sotto forma di filo o polvere.
La Directed Energy Deposition (DED) è una tecnologia di manifattura additiva, famiglia di processi di produzione in cui un oggetto tridimensionale è creato aggiungendo materiale strato dopo strato, a partire da un modello digitale.
Questo approccio si contrappone ai metodi tradizionali sottrattivi come fresatura, tornitura o foratura, in cui si parte da un blocco di materiale e si rimuove ciò che è in eccesso. A differenza delle tecniche di fusione a letto di polvere che fondono il materiale predepositato sul substrato, nella Directed Energy Deposition il materiale viene fuso mentre viene depositato.
Grazie alla Directed Energy Deposition sono stati implementati sistemi di monitoraggio in-line come telecamere, sensori di temperatura e spettrometri, strumenti che consentono di monitorare in tempo reale i parametri di un processo produttivo o di laboratorio, direttamente durante la sua esecuzione, senza interromperlo.
Le prime sperimentazioni di deposizione di fili metallici a fascio elettronico risalgono agli anni ’70 e nel 2003 la Optomec produsse i sistemi LENS DED (Directed Energy Deposition) per la creazione, il miglioramento e la riparazione di componenti metallici.
Principio di funzionamento della Directed Energy Deposition
Una tipica macchina che utilizza la Directed Energy Deposition è costituita da un ugello che eroga il materiale sotto forma di polvere o filo nella vasca di fusione che è montato su un braccio multiasse e pertanto può muoversi in più direzioni non essendo fissato a un asse specifico, e deposita il materiale fuso sulla superficie, dove si solidifica.
funzionamento
Il materiale, che può essere depositato da qualsiasi angolazione grazie alle macchine a 4 e 5 assi, viene fuso al momento della deposizione con un laser o un fascio di elettroni. Il braccio multiasse consente all’ugello di muoversi in più direzioni al fine di ottenere forme complesse.
Oltre all’ugello e al braccio multiasse nel dispositivo è presente una fonte di energia, un alimentatore di polvere che fornisce un rifornimento continuo del materiale e un sistema di controllo che coordina il movimento del braccio e la fonte di energia, oltre a gestire il flusso dei materiali.
Materiali
Il processo può essere utilizzato con polimeri e ceramiche, ma è tipicamente utilizzato con i metalli, sotto forma di polvere o filo. L’ampia gamma di materiali utilizzati nella produzione additiva con la Directed Energy Deposition offre versatilità in diversi settori.
Leghe metalliche
L’uso di leghe metalliche, tra cui acciaio inossidabile, leghe di acciaio, leghe di alluminio, leghe di nichel e leghe di cobalto–cromo, è diffuso, dai componenti aerospaziali agli impianti medicali per le loro proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione. Inoltre, l’acciaio per utensili svolge un ruolo cruciale nei settori che richiedono resistenza all’usura e alle condizioni più difficili.
Grazie al suo elevato punto di fusione e alla sua densità, il titanio è utilizzato nei componenti aerospaziali, nei contatti elettrici, nella schermatura dalle radiazioni e nelle applicazioni ad alta temperatura. Per la loro resistenza alle alte temperature e alla corrosione richieste nei componenti aerospaziali, nelle parti dei motori delle turbine e nei sistemi di scarico delle automobili sono utilizzati composti intermetallici come alluminuro di titanio e alluminuro di nichel.
applicazioni
Per le applicazioni aerospaziali e biomedicali i fili metallici utilizzati sono costituiti da fili di titanio e leghe di titanio e per la sua notevole durezza e tenacità post-trattamento termico fili di acciaio maraging, acciaio al rinforzato con nichel e cobalto dalle caratteristiche di elevata durezza e malleabilità.
Materiali metallici
Per l’elevata durezza, la resistenza alla corrosione e la stabilità termica che li rendono ideali per componenti aerospaziali, impianti medici, utensili da taglio e parti resistenti all’usura sono utilizzati materiali ceramici come il biossido di zirconio, l’ossido di alluminio e il nitruro di silicio.
Possono essere realizzati componenti aerospaziali, contatti elettrici e parti di forni ad alta temperatura, nonché schermature contro le radiazioni con materiali refrattari a base di tungsteno e molibdeno grazie al loro elevato punto di fusione e alla resistenza al calore.
Compositi
L’elevata resistenza, la resistenza all’usura e la biocompatibilità rendono le leghe cobalto-cromo ideali per impianti dentali, impianti ortopedici, componenti aerospaziali e parti di motori a turbina. Materiali compositi a matrice metallica la cui matrice è costituita dal metallo, a cui si aggiungono altri componenti quali rinforzi costituiti da un altro metallo, una ceramica o un composto organico sono spesso utilizzati per strutture aerospaziali, parti di automobili e componenti di macchinari ad alte prestazioni che devono essere allo stesso tempo leggeri e resistenti.
Vantaggi e svantaggi della DED
La Directed Energy Deposition presenta numerosi vantaggi riducendo al minimo la produzione di scarti garantendo che quasi tutto il materiale contribuisca al prodotto finale. Questa efficienza non solo preserva le risorse, ma riduce anche l’impatto ambientale e i costi di produzione.
vantaggi
Inoltre la Directed Energy Deposition ha un elevato tasso di deposizione che può raggiungere fino a 20 kg/h con sorgenti ad alta potenza e offre flessibilità geometrica per la possibilità di depositare i materiali fusi su superfici curve e orientate.
Un altro vantaggio è correlato alla possibilità di utilizzare diversi materiali che consente ai produttori di ottenere componenti con diverse proprietà, soddisfacendo particolari esigenze per applicazioni specifiche. Il processo consente un’elevata accuratezza e precisione fondamentale per i settori che richiedono componenti dettagliati consentendo la produzione di design complessi che potrebbero risultare complessi con altri metodi di produzione.
Un ulteriore vantaggio della Directed Energy Deposition è il maggiore controllo sulla microstruttura. I produttori possono infatti manipolare la microstruttura del materiale depositato, migliorando le proprietà meccaniche e le prestazioni del prodotto finale. Questo livello di controllo garantisce che i componenti soddisfino rigorosi standard di qualità e funzionino in modo affidabile in ambienti difficili.
Un primo svantaggio della DED è relativo ai costi elevati delle attrezzature, della loro installazione e di manutenzione regolare che garantisce prestazioni ottimali e deve essere effettuata da tecnici qualificati. Inoltre il manufatto ottenuto richiede lavorazioni aggiuntive relative a finiture superficiali come la lavorazione meccanica o la lucidatura per ottenere la levigatezza e l’aspetto desiderati
