Comprendere la sfida della sicurezza nella produzione additiva metallica con fusione a letto di polvere

Nonostante tutti i vantaggi offerti dalla produzione additiva metallica (AM) PBF, esistono sfide concrete in materia di sicurezza che devono essere affrontate per proteggere le persone, le attrezzature e la produttività.

Il rischio di incendio ed esplosione

Sappiamo che la fusione a letto di polvere (PBF) spesso combina laser o fasci di elettroni con polveri fini come alluminio o titanio, e questa miscela di calore intenso e combustibile altamente reattivo è un rischio di accensione in presenza di ossigeno con il potenziale di un'esplosione. Il rischio aumenta perché le polveri metalliche sono fornite con uno strato di ossido che può essere rimosso durante la manipolazione e la stampa, lasciando superfici esposte che reagiscono violentemente in presenza di ossigeno.

Protezione con atmosfere inerti

Per affrontare questi rischi, la maggior parte delle macchine PBF funziona in atmosfera di gas inerte, utilizzando argon o azoto per mantenere bassa la concentrazione di ossigeno. Questo elimina uno dei tre elementi del triangolo del fuoco, impedendo lo sviluppo di condizioni infiammabili o esplosive. Questo approccio di sicurezza si basa sulla conoscenza e sul controllo della quantità di ossigeno presente nell'atmosfera inerte. Se l'ossigeno supera una soglia critica, l'ambiente all'interno della stampante 3D/camera di costruzione può passare rapidamente da “sicuro” a “esplosivo”; con fonti di accensione come i laser sempre presenti, un monitoraggio accurato dell'ossigeno diventa fondamentale sia per la sicurezza che per la conformità.

Il quadro normativo

Le direttive ATEX europee classificano le modalità con cui i luoghi di lavoro devono gestire le atmosfere esplosive. Le zone (20, 21, 22) definiscono la frequenza con cui si prevede che tali atmosfere si verifichino e stabiliscono il livello di controllo richiesto. Per la AM, la sfida consiste nel decidere se un ambiente inerte come una camera di costruzione PBF debba essere considerato una zona pericolosa e, in tal caso, a quale livello. Ciò dipende interamente dall'affidabilità dei sistemi di inertizzazione e monitoraggio in uso.

Prospettive diverse, stesso problema

Se la sfida qui è chiara, il percorso per gestirla è più complesso. Una rete di standard internazionali guida il modo in cui i fornitori e gli operatori delle macchine dovrebbero affrontare la sicurezza, e questi non sono sempre perfettamente allineati.

Ciò significa che un sistema di sicurezza progettato per soddisfare i requisiti di un fornitore potrebbe non essere sufficiente per le responsabilità più ampie di un operatore.

Perché SIL è importante

Il livello di integrità della sicurezza (SIL) è la misura globale dell'affidabilità di un sistema di sicurezza. Nell'AM, il SIL si applica ai sistemi che mantengono i livelli di ossigeno sufficientemente bassi da prevenire condizioni esplosive. Per i fornitori, ciò significa spesso progettare in modalità “alta richiesta”, ipotizzando che i guasti si verifichino almeno una volta all'anno. Gli operatori, tuttavia, potrebbero voler prendersi il merito di guasti meno frequenti (modalità “bassa richiesta”) e utilizzare test di verifica e diagnostica per giustificare un SIL più elevato.

Le normative chiariscono questo punto: il sistema di sicurezza deve essere separato dal sistema di controllo del processo. In pratica, ciò significa che le macchine AM necessitano di due livelli di controllo:

Questo duplice approccio garantisce la conformità a direttive quali ATEX 2014/34/UE, che richiedono esplicitamente che i dispositivi di sicurezza funzionino in modo indipendente. Mantenere tale indipendenza significa anche garantire che i sensori funzionino in modo affidabile nel tempo. Nell'ambito della ricerca in corso con Irish Manufacturing Research (IMR), la principale organizzazione indipendente di ricerca e tecnologia irlandese, Ntron Gas Measurement sta studiando come i gas di scarico (condensati) nelle macchine PBF possono influire sulle prestazioni dei sensori di ossigeno e sta sviluppando metodi di mitigazione. Presso l'avanzato impianto di produzione additiva dell'IMR, i nostri analizzatori sono installati su macchine su scala industriale per essere testati in condizioni operative reali, riflettendo le esigenze degli OEM e degli utenti finali. Questo lavoro è fondamentale per garantire che i sistemi di sicurezza indipendenti rimangano affidabili in teoria e nella pratica.

Il nostro SILO2 L'analizzatore di ossigeno è progettato appositamente per questo duplice approccio, realizzato per ambienti in cui sia la qualità che la sicurezza dipendono da livelli di ossigeno estremamente bassi, il SILO2 offre:

Fornendo misurazioni dell'ossigeno affidabili e conformi agli standard, l'analizzatore SILO2 consente ai fornitori di progettare sistemi più sicuri e offre agli operatori la garanzia necessaria per classificare i propri processi come “sicuri” anziché pericolosi.

Il potenziale della metallurgia additiva è enorme, ma i rischi sono reali. L'allineamento della progettazione delle macchine, delle responsabilità degli operatori e degli standard di sicurezza richiede un monitoraggio dell'ossigeno robusto e indipendente. Con l'analizzatore SILO2, i fornitori possono fornire sistemi che soddisfano i rigorosi requisiti di sicurezza, mentre gli operatori hanno la tranquillità di sapere che i loro processi sono protetti.

Di David Beirne, Senior Product Manager Dewpoint & Oxygen