IT201800010161A1 - Processo di fusione laser selettivo e utensile da taglio in metallo duro - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“PROCESSO DI FUSIONE LASER SELETTIVO E UTENSILE DA TAGLIO IN METALLO DURO”

La presente domanda di brevetto è relativa ad un processo di fusione laser selettivo per la realizzazione di un prodotto in metallo duro e ad un utensile da taglio in metallo duro realizzato mediante tecnica di fusione laser selettiva.

In particolare, la presente domanda di brevetto è relativa ad un processo di fusione laser selettivo per la realizzazione di un utensile da taglio per asportazione di truciolo a geometria definita per il taglio di ingranaggi. Un utensile da taglio per asportazione di truciolo può essere, ad esempio: un creatore; un coltello stozzatore; un utensile del tipo Power skiving; un rasatore; uno smussatore; uno smusso-rullatore; o uno sbavatore.

È noto che gli utensili da taglio del tipo sopra descritto siano fatti di metallo duro, ovvero un materiale ceramico-metallico resistente all’abrasione e alle elevate temperature, in modo da poter lavorare a velocità elevate e durare a lungo.

È noto di realizzare tali utensili da taglio in metallo duro mediante un processo di sinterizzazione di un semilavorato. In particolare il semilavorato è fatto di un materiale, generalmente detto verde, formato da polveri compattate di carburo di tungsteno WC combinate con un metallo di transizione, come il cobalto Co oppure il Nichel Ni.

Tuttavia, i processi di sinterizzazione noti presentano lo svantaggio di richiedere molto tempo e molta materia prima per la realizzazione del semilavorato compattato. Infatti i processi di sinterizzazione noti non permettono di realizzare prodotti con geometrie complesse, come ad esempio delle geometrie presentanti dei sottosquadri e/o degli alleggerimenti. Quindi, i processi di sinterizzazione presentano lo svantaggio di realizzare utensili da taglio sostanzialmente pieni e più pesanti di quanto necessario.

Gli utensili da taglio in metallo duro realizzati con i processi di tipo noto presentano pertanto lo svantaggio di essere pesanti e costosi.

È altresì noto, come ad esempio da US9975182, di utilizzare dei processi laser additivi per la realizzazione dei semilavorati in materiale “verde”, ovvero in materiale non resistente. Tuttavia, tali semilavorati devono essere comunque sottoposti successivamente ad un processo di sinterizzazione, per diventare di metallo duro e presentare le adeguate proprietà meccaniche.

I processi laser additivi di tipo noto presentano lo svantaggio di non riuscire ad ottenere direttamente un prodotto finito in metallo duro, ovvero con delle proprietà meccaniche tali da poter essere utilizzato direttamente come utensile da taglio, senza dover essere sottoposto ad ulteriori processi di lavorazione come la sinterizzazione.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un processo di fusione laser selettivo per la realizzazione di un prodotto, in particolare un utensile da taglio, in metallo duro che permetta di superare i problemi sopra elencati.

Scopo della presenta invenzione è quello di fornire un utensile da taglio in metallo duro che superi i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione viene fornito un processo come citato nelle rivendicazioni allegate.

Secondo la presente invenzione viene fornito un utensile di taglio come citato nelle rivendicazioni allegate.

L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra un utensile da taglio secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è una vista schematica di una macchina per la realizzazione del processo additivo laser secondo la presente invenzione;

- la figura 3 è una vista schematica con alcune parti asportate per chiarezza della macchina della figura 2;

- la figura 4 è uno schema della distribuzione gaussiana del materiale in polvere di partenza secondo la presente invenzione;

- la figura 5 è un ingrandimento del materiale in polvere di partenza;

- la figura 6 illustra un esempio di un percorso di scansione m.

Nella figura 1 è illustrato in modo schematico un prodotto realizzato secondo il processo di fusione laser selettivo, noto anche come Selective Laser Melting (SLM), della presente invenzione.

Secondo quanto illustrato nella figura 1, il prodotto 1 è un utensile da taglio per asportazione di truciolo a geometria definita, preferibilmente per il taglio di ingranaggi. Vantaggiosamente, l’utensile da taglio 1 è fatto di metallo duro. Ad esempio, l’utensile da taglio 1 è stato realizzato partendo da materiale in polvere comprendente polveri di carburo di tungsteno WC.

Vantaggiosamente, l’utensile da taglio 1 presenta una durezza di almeno 80 HRA.

L’utensile da taglio 1 presenta un asse di rotazione A. L’utensile da taglio 1 è stato realizzato mediante la fusione successiva di strati 6 di materiali in polvere, come verrà illustrato meglio in seguito.

Nella figura 2 è illustrata nel suo complesso una macchina 2 per la realizzazione del processo secondo la presente invenzione. In particolare, la macchina 2 è configurata per realizzare un processo di fusione laser selettivo, generalmente noto come Selective Laser Melting (SLM). In altre parole, la macchina 2 è configurata per generare ed indirizzare un fascio laser F all’interno di una camera di lavoro 3 in modo da colpire e fondere del materiale in polvere, come verrà illustrato meglio in seguito.

In modo noto, la macchina 2 comprende: una camera di lavoro 3 ad atmosfera controllata, una piattaforma 4 disposta all’interno della camera di lavoro 3; una unità polveri 5 per depositare ciclicamente uno strato 6 di materiale in polvere p sulla piattaforma 4; una unità laser 7 che emette e direziona il fascio laser F all’interno della camera di lavoro 3; ed un sistema gas 8 per mantenere l’atmosfera controllata all’interno della camera di lavoro 3.

La forma e le dimensioni della piattaforma 4 possono variare a seconda della geometria e del numero di prodotti da realizzare. La piattaforma 4 è fatta di materiale metallico, in genere è fatta di alluminio od acciaio. Ad esempio, la piattaforma 4 è a sezione circolare e presenta un diametro di 100 mm.

La macchina 2 comprende, inoltre, un attuatore 9 che è configurato per muovere, in genere abbassare o sollevare, la piattaforma 4.

L’unità polveri 5 comprende, a sua volta, un dispositivo di distribuzione 10, ad esempio un coltello oppure un rullo, generalmente noto come COATER per spargere e pressare uno strato 6 di materiale in polvere p sulla piattaforma 4.

L’unità laser 7 comprende, in modo noto: un generatore 11; una sorgente laser 12, che emette il fascio laser F; ed un sistema ottico 13 per la focalizzazione e l’indirizzamento del fascio laser F. Secondo quanto illustrato nella figura 3, il sistema ottico 13 comprende ad esempio due galvanometri 14A e 14B che ruotano attorno a rispettivi assi X e Y ed una lente 15 di focalizzazione.

Preferibilmente, la sorgente laser 12 è del tipo laser in fibra con lunghezza d’onda λ compresa tra 1030-1060 nm.

Inoltre, la macchina 2 comprende un sistema di controllo 16 che è configurato per regolare i parametri di processo e scambia dati con: l’attuatore 9 della piattaforma 4, l’unità polveri 5, l’unità laser 7 e il sistema gas 8. Il sistema di controllo 16 comprende, a sua volta, una unità di gestione dati 18, una unità di memoria 19 ed una unità di calcolo 20.

L’unità di gestione dati 18 scambia dati con l’esterno, ad esempio con un operatore, mediante una interfaccia utente.

L’unità di memoria 19 è configurata per contenere dei parametri di processo preimpostati od impostabili mediante l’unità di gestione dati 18.

L’unità di calcolo 20 elabora i dati impostati e scambiati con le differenti parti della macchina 2, in modo da effettuare eventuali regolazioni della macchina 2, alcune delle quali verranno descritte meglio in seguito, ed ottenere i parametri di processo desiderati in tempo reale.

In modo noto, la macchina 2 è configurata per effettuare una successione di cicli di scansione. Durante ciascun ciclo di scansione il fascio laser F colpisce e fonde una zona predeterminata del materiale in polvere p lungo una traccia b. Tra due cicli di scansione può essere eseguito un ciclo di distribuzione, durante il quale un nuovo strato 6 di materiale in polvere p viene steso sulla piattaforma 4. In genere, in preparazione di un ciclo di distribuzione la piattaforma 4 viene abbassata di un gradino con altezza equivalente allo spessore desiderato dello strato 6 di materiale in polvere p da trattare con il ciclo di scansione successivo.

I parametri di processo comprendono per ciascun ciclo di scansione:

- il percorso di scansione m;

- la logica di scansione;

- il numero di scansioni;

- la distanza s tra le tracce b mm;

- la velocità del coater;

- la percentuale di ossigeno residuo; e

- la fluenza EV.

Il percorso di scansione m è la mappa delle zone da colpire con il fascio laser F. Nella figura 6 è illustrato un esempio di un percorso di scansione m in cui sono mostrate delle tracce b percorse dal fascio laser F e la distanza s tra le tracce b stesse.

La logica di scansione è il tipo di logica utilizzata per tracciare il percorso di scansione m del fascio laser F in una zona. Ad esempio, la logica di scansione può essere: lineare, a serpentina, oppure a scacchiera (come nell’esempio illustrato della figura 6).

Il numero di scansioni è il numero di volte che il fascio laser F viene fatto passare in una determinata zona durante lo stesso ciclo di scansioni. Il numero di scansioni determina il tipo di trattamento termico cui viene sottoposta una zona. Ad esempio, a seconda del numero di scansioni, si può ottenere nello stesso punto: sinterizzazione, fusione; pre-riscaldamento; postriscaldamento.

La distanza s tra le tracce b è la distanza tra due tracce b adiacenti. Si osserva che in alcuni casi può esserci una sovrapposizione delle tracce b, in questi casi la distanza tra le tracce b indica il livello di sovrapposizione delle tracce b.

Vantaggiosamente, la distanza s tra le tracce b è compresa tra 0.01 e 0.1 mm. All’interno di questo range di distanza s si ottiene la corretta fusione del materiale in polvere p, riducendo l’evaporazione del metallo di transizione.

La velocità del coater è la velocità con cui viene steso uno strato 6 di materiale in polvere p dal dispositivo di distribuzione 10.

La percentuale di ossigeno residua è la percentuale di ossigeno ammessa all’interno della camera di lavoro 3 ad atmosfera controllata durante il processo.

La fluenza Ev è la quantità di energia rilasciata per unità di volume irradiato dal fascio laser F.

La fluenza è data dalla seguente relazione:

in cui:

P è la potenza del fascio laser F nel punto di focalizzazione W;

v è la velocità di scansione del fascio laser F mm/s; d è il diametro del punto di focalizzazione del fascio laser F mm; e,

t è lo spessore dello strato 6 di materiale in polvere p mm.

Vantaggiosamente l’unità di calcolo 20 è configurata per regolare, in modo noto, la potenza del fascio laser F.

Ad esempio, l’unità di calcolo 20 è configurata per regolare la pressione del gas e l’intensità della corrente dell’unità laser 7.

L’unità di calcolo 20 è configurata per regolare la posizione e lo spostamento dei galvanometri 14A e 14B e della lente 15 di focalizzazione, in modo da indirizzare il fascio laser F lungo un percorso di scansione m predefinito. L’unità di calcolo 20 è configurata per azionare ciascun galvanometro e la lente 15 di focalizzazione, in modo da regolare la velocità di scansione del fascio laser F.

L’unità di calcolo 20 è configurata per azionare l’attuatore 9 della piattaforma 4 in modo da abbassare la piattaforma 4 stessa al termine di un ciclo di scansione.

In particolare, la piattaforma 4 viene abbassata di un gradino la cui altezza corrisponde sostanzialmente allo spessore dello strato 6 di materiale in polvere p da trattare con il ciclo di scansione successivo.

L’unità di calcolo 20 è configurata per azionare l’unità polveri 5, in modo da depositare uno strato 6 di materiale in polvere p in preparazione di un ciclo di scansione successivo.

Qui di seguito viene descritto il processo di fusione laser selettivo secondo la presente invenzione per la realizzazione di un prodotto in metallo duro, in particolare per un utensile da taglio 1. Si osserva tuttavia che tale processo può essere utilizzato anche per la realizzazione di altri prodotti in metallo duro presentanti geometrie differenti.

In fase di preallestimento, la geometria tridimensionale del prodotto da realizzare viene caricata, in modo noto, all’interno dell’unità di memoria 19 mediante l’unità di gestione dati 18. In particolare, nell’unità di memoria 19 vengono salvati i parametri di processo ideali per ciascun ciclo di scansione.

Si osserva inoltre che, durante il processo di fusione laser selettivo del gas viene insufflato, in modo noto, dal sistema gas 8 all’interno della camera di lavoro 3, in modo che il processo si svolga in atmosfera controllata. In particolare, il sistema gas 8 alimenta Argon Ar o Azoto N all’interno della camera di lavoro 3, che durante il processo è chiusa ermeticamente.

All’inizio del processo la piattaforma 4 può essere a temperatura ambiente oppure può essere riscaldata ad una temperatura di circa 200°C.

Preferibilmente, il materiale in polvere p comprende polvere di carburo di tungsteno WC e polvere di un metallo di transizione. Preferibilmente, il metallo di transizione è cobalto Co. Secondo una variante, il metallo di transizione è nichel Ni.

Vantaggiosamente la percentuale in peso di cobalto Co è inferiore al 25%. Preferibilmente, la percentuale in peso di cobalto Co è compresa tra il 9% ed il 17%.

Vantaggiosamente, il materiale in polvere p comprende delle particelle sostanzialmente sferiche con dimensione del diametro da 15 a 45 µm con distribuzione gaussiana.

Nella figura 3 è illustrato uno schema della distribuzione gaussiana di un esempio di materiale in polvere p utilizzato per il presente processo. Vantaggiosamente, il materiale in polvere p è formato da particelle sostanzialmente sferiche. Nella figura 4 è illustrata una immagine ingrandita di un campione del materiale in polvere p. La figura 4 illustra la morfologia sostanzialmente sferica del materiale in polvere p. In particolare, il materiale in polvere p presenta una distribuzione omogenea della lega carburo, che è ricoperta dalla matrice di cobalto per formare il granello di polvere.

Per la realizzazione del processo viene svolta una prima fase di distribuzione, durante la quale uno strato 6 di materiale in polvere p viene depositato sulla piattaforma 4 dall’unità polveri 5.

Quindi, si esegue un ciclo di scansione, durante il quale il fascio laser F scansiona lo strato 6 di materiale in polvere p, in altre parole, il fascio laser F colpisce lo strato 6 di materiale in polvere p lungo un percorso di scansione m salvato nell’unità di memoria 19.

Per ciascun ciclo di scansione, al fine di realizzare un corrispondente strato 6 dell’utensile da taglio 1, l’unità di memoria 19 contiene dati relativi al percorso di scansione m; alla logica di scansione; al numero di scansioni; ed alla distanza s tra le tracce b [mm].

Vantaggiosamente, durante ciascun ciclo di scansione la fluenza EV è compresa tra 300 e 700 J/mm<3>.

In particolare, durante ciascun ciclo di scansione, al fine di ottenere il valore desiderato di fluenza, vengono regolate: la potenza del laser nel punto di focalizzazione; la velocità di scansione; il diametro del fascio laser F nel punto di focalizzazione; e lo spessore dello strato 6 di materiale in polvere p.

L’unità laser 7 della macchina 2 può comprendere una pluralità di sorgenti laser 12, ad esempio quattro sorgenti laser 12, in modo da colpire lo strato 6 di materiale in polvere p contemporaneamente con una rispettiva pluralità di fasci laser F. In questo caso, la fluenza Ev di ciascun fascio laser è compresa tra 100 e 700 J/mm<3>.

Vantaggiosamente, la potenza di un fascio laser F in corrispondenza del punto di focalizzazione è compresa tra 10 e 170 W.

Vantaggiosamente il punto di focalizzazione del fascio laser F presenta un diametro d compreso tra 20 e 200 µm.

Vantaggiosamente la velocità di scansione del fascio laser F è compresa tra 100 e 3000 mm/s.

Vantaggiosamente la distanza s tra due tracce b adiacenti compresa tra 0.01-0.1 mm.

Vantaggiosamente la velocità del dispositivo di distribuzione è compresa tra 30 e 50 mm/s.

Vantaggiosamente, mantenendo il parametro di fluenza Ev di un fascio laser F tra 100 e 700 J/mm<3 >è possibile fondere il metallo di transizione (ad esempio il cobalto Co oppure il Nichel Ni) e risolidificarlo senza eccedere nell’evaporizzazione dello stesso.

Infatti una eccessiva evaporazione del materiale di transizione, come cobalto Co oppure il nichel Ni, può portare ad una elevata fragilità del prodotto finale, che pertanto sarebbe inutilizzabile come utensile da taglio 1.

Inoltre la regolazione della fluenza EV come sopra indicato permette di ottenere la solidificazione del prodotto in un metallo duro.

Le dimensioni dei grani di un prodotto, in particolare un utensile da taglio, realizzato con il metodo sopra descritto, hanno una distribuzione a gaussiana tra 15 e 45 µm.

Da quanto sopra esposto discende che il processo di fusione laser selettiva permette di eliminare il processo di sinterizzazione. In altre, parole, il processo di fusione laser selettiva secondo la presente invenzione permette di ottenere direttamente un prodotto solido in metallo duro partendo da materiale in polvere comprendente polvere di carburo di tungsteno WC.

In particolare è possibile realizzare direttamente un utensile da taglio 1 in metallo duro come, vantaggiosamente, un utensile da taglio 1 per asportazione di truciolo a geometria definita per il taglio di ingranaggi. Ad esempio, l’utensile da taglio 1 per asportazione di truciolo a geometria definita per il taglio di ingranaggi può essere: un creatore; un coltello strozzatore; un utensile da dentatura, un utensile del tipo SCUDDING®; un rasatore; uno smussatore; uno smussorullatore; o uno sbavatore.

In particolare, il processo di fusione laser selettiva permette di ottenere direttamente, quindi più velocemente rispetto ai processi di tipo noto, un utensile da taglio 1 in metallo duro anche con geometrie più complesse rispetto a quelle attualmente realizzabili.

Inoltre, il processo di fusione laser selettiva permette di ottenere degli utensili da taglio con maggiori alleggerimenti (in genere ottenuti mediante sottosquadri) con un conseguente significativo risparmio di materiale e riduzione dei costi.

Vantaggiosamente, il processo di fusione laser selettiva permette il risparmio di materia prima.

Vantaggiosamente, l’utensile da taglio 1 realizzato secondo il processo sopra descritto presenta delle proprietà meccaniche comparabili a quelle di utensili da taglio realizzati con sinterizzazione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo di fusione laser selettivo per la realizzazione di un prodotto (1) in metallo duro, in particolare un utensile da taglio per asportazione di truciolo a geometria definita per il taglio di ingranaggi, con un materiale in polvere (p) comprendente polvere di carburo di tungsteno WC e polvere di un metallo di transizione; in cui il processo è realizzato mediante una macchina (2) comprendente una camera di lavoro (3) ad atmosfera controllata ed una sorgente laser (12) che emette un fascio laser (F); il processo comprendendo: - una prima fase di distribuire uno strato (6) di materiale in polvere (p) nella camera di lavoro (3); - una seconda fase di realizzare un ciclo di scansione durante il quale il fascio laser (F) colpisce lo strato (6) di materiale in polvere (p); in cui durante il detto ciclo di scansione la fluenza EV del fascio laser è compresa tra 100 e 700 J/mm<3>; in cui la fluenza EV è data dalla seguente relazione: in cui: P è la potenza del laser nel punto di focalizzazione; v è la velocità di scansione del fascio laser (F); d è il diametro del punto di focalizzazione del fascio laser (F); t è lo spessore dello strato (6) di materiale in polvere (p).
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale in polvere (p) comprende delle particelle sostanzialmente sferiche con una dimensione del diametro compresa, con distribuzione gaussiana, da 15 a 45 µm.
3. 3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la polvere del metallo di transizione è polvere di cobalto; in cui la percentuale in peso di polvere di cobalto è inferiore al 25%, in particolare è compresa tra il 9 ed il 17%.
4. 4. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la potenza del laser nel punto di focalizzazione è compresa tra 10 e 170 W.
5. 5. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la velocità di scansione (v) è compresa tra 100 e 3000 mm/s.
6. 6. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il diametro (d) del fascio laser (F) nel punto di focalizzazione è compreso tra 20 e 200 µm.
7. 7. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la distanza (s) tra due tracce (b) adiacenti è compresa tra 0.01 e 0.1 mm.
8. 8. Utensile da taglio per asportazione di truciolo a geometria definita, in particolare per il taglio di ingranaggi, in cui detto utensile da taglio è stato realizzato mediante un processo di fusione laser selettivo.
9. 9. Utensile da taglio secondo la rivendicazione 8 e che è stato realizzato mediante un processo di fusione laser selettivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7 di un materiale in polvere (p) comprendente delle particelle sostanzialmente sferiche con una dimensione del diametro compresa, con distribuzione gaussiana, da 15 a 45 µm.
10. 10. Utensile da taglio secondo la rivendicazione 8 o 9 e presentante una durezza di 80 HRA.