Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

Inventata nel 1983 e brevettata nel 1986 da C. Hull, la tecnologia di stampa 3D (inizialmente denominata "stereolitografia") è un metodo di produzione consolidato nell'attuale mercato industriale. Le previsioni indicano un aumento del 774% del fatturato globale nei prossimi 5 anni, il che fa della stampa 3D uno dei mercati più prosperi del prossimo futuro. Uno dei vari metodi di stampa 3D è la saldatura additiva a polvere laser. Questa tecnica è caratterizzata dal rivestimento di materiali in polvere con l'aiuto della saldatura laser. La forma desiderata del prodotto specifico si forma seguendo traiettorie predefinite prima della produzione. L'energia del laser fonde la polvere metallica utilizzata formando un cordone di saldatura.

La geometria finale riceve il suo contorno tridimensionale dalla sovrapposizione dei cordoni di saldatura in base ai percorsi delle traiettorie predefinite. L'ottimizzazione della saldatura additiva con laser a polvere si concentra su una lavorazione economica con qualità e precisione elevate. Un altro obiettivo è la scalabilità: da un lato la grande scala e dall'altro l'implementazione di microstrutture inferiori a 100 µm.1 I materiali utilizzati per la saldatura additiva con laser a polvere sono principalmente:

• Light metal
• Nickel super alloys
• Acciaio
• Intermetallic materials
• Hard materials (carbides)

In questo articolo è stato analizzato un campione di acciaio (X6Cr17, numero di materiale: 1.4016) prodotto mediante saldatura additiva a polvere laser. Il primo passo è stato quello di ottenere un campione più piccolo (=specimen) rappresentativo del pezzo completo. A tale scopo è stata utilizzata la troncatrice di precisione QATM con una lama sottile in CBN (nitruro di boro cubico) (spessore della mola: 0,65 mm, diametro della mola: 153 mm).

Il taglio è stato effettuato con un taglio diretto pulsato (0,2 mm in avanti e 0,2 mm indietro) con una velocità di avanzamento di 1 mm/s e una velocità di rotazione di 4500 giri/min. Dopo il taglio, il campione è stato inglobato in un materiale di inglobamento a caldo (Epo black) con una pressa d'inglobamento a caldo per ottenere un campione più semplice da maneggiare. L'inglobamento è stato effettuato a una pressione di 200 bar per 6 minuti a 180°C, seguito da un ciclo di raffreddamento di 6 minuti. Un altro vantaggio è l'elevato grado di parallelismo dei campioni inglobati pari a 51 µm ±1 µm (le tolleranze si basano sul calibro utilizzato per le misure di altezza dei campioni). I campioni inglobati sono stati successivamente levigati (forza individuale) e lucidati (forza individuale) con una levigatrice e lucidatrice semiautomatica.

Il processo di levigatura è stato suddiviso in due fasi. La prima consiste nella levigatura planare, utilizzando una carta al carburo di silicio (SiC) con grana P240, per rimuovere tutte le deformazioni causate dal processo di taglio. Segue la levigatura con una carta SiC con grana P600 per lisciare la superficie per le successive fasi di lucidatura. In primo luogo, il campione è stato pre-lucidato con il panno duro Galaxy BETA e una sospensione diamantata policristallina da 9 µm, seguito da un panno medio-duro in seta e una sospensione diamantata policristallina da 3 µm. L'ultima fase, chiamata lucidatura finale, è stata eseguita con un panno di lucidatura sintetico morbido e Eposil M. I parametri di preparazione dettagliati sono indicati in questa tabella:

Based on this preparation sequence, a finely polished specimen surface was obtained. Figure 3 shows an image taken with an incident optical microscope (incident light) at a magnification of 100.

Image of the prepared specimen surface. Due to the polished surface the light is reflected almost equally and the microstructure is not discernible.

The microstructure was also contrasted well in the middle of the specimen surface indicating that the whole prepared surface was successfully contrasted as shown in the picture.

Contrasted specimen. The welded-based microstructure of the manufactured workpiece is clearly visible.

As the light is reflected almost equally over the whole specimen surface, the microstructure remains invisible. Due to the nature of the human eye, a minimum difference in contrast of 10% is needed to make the contrast visible on any surface. This contrasting is achieved by etching. In our example, the etchant “V2A Beize” for pickling was used to contrast the surface by selective etching of the different phases of the investigated X6Cr17 steel. Etching was done for 45 s and the microstructure is very well discernible as can be seen in the picture.

Etched specimen using "V2A Beize" (for 45 s). Edge section. The microstructure is clearly discernible.