Additive Manufacturing (AM) is a new promising processing field that refers to a group of innovative technologies developed in the last decade taking inspiration from the progress of rapid prototyping. Most of the work to date has been conducted using polymeric materials, but the development of new routes, such as Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Electron Beam Melting and Laser Engineered Net Shaping, enabled to build functional parts using different materials, like metals, ceramics and composites. The evolution of AM technologies in the last 20 years has been huge leading to making functional parts directly without the use of tooling. In AM the material is added layer by layer to create a near-net-shape solid object of almost any shape from a computer-aided design (CAD) model. This new processing route gives a great freedom in design paving the way to make complex objects otherwise impossible to produce. Nowadays, the main industrial interest is in the production of parts for automotive, aerospace and aircraft applications, but another interesting field of research is the one related to biomedical applications. Among the metallic materials used for AM applications we can find Aluminum alloys, Cobalt-Chromium alloys, Steels, Titanium alloys, Inconel and Gold alloys. In this work we will focus our attention on hypoeutectic Al-Si alloys widely employed for casting and now increasingly receiving attention for these new manufacturing routes. This is part of a collaborating project with IIT-Turin, where the DMLS technology has been implemented. In DMLS layers of a metallic atomized powder are spread on a preheated building platform and melted locally by a high power Yb-fiber optic laser according to the layer derived from the CAD model. Once the first layer is complete, the building platform drops one layer down in the z axis, the material is recoated with new powder and the process is repeated until the entire build is complete. During this process the molten pool is quenched by the pre-solidified layers. Rapid solidification occurs whose microstructural features are not well understood even if they have consequences on the mechanical properties, in terms of residual stresses. In order to better understand the solidification mechanism related to DMLS, several model samples were produced using other rapid solidification techniques, copper mould casting and melt spinning, that span a large range of cooling rates (102-107 K/s) . The samples obtained through Copper Mould Casting, Melt Spinning and Direct Metal Laser Sintering and the starting powder material were characterized using Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Field Emission Electron Microscopy, moreover both a structural and a thermal characterization were performed by means of X-Ray Diffraction and Differential Scanning Calorimetry. Starting from the results obtained with these characterization methods and from the vast literature available on rapidly solidified Al-Si alloys, in this work we have tried to establish a microstructural correlation between the three rapid solidification techniques. Analyzing the supersaturation (through lattice parameters), the calorimetric responses (through temperature and heat of precipitation) and the dimensions of the microstructural features (dendrites and eutectic) a mechanism for solidification is proposed as a function of cooling rate which will enable interpreting the fine microstructures occurring in AM.
L'Additive Manufacturing (AM) è un nuovo e promettente campo produttivo, che si riferisce a un gruppo di tecnologie sviluppate nell'ultima decade e che prende ispirazione dai progressi della prototipazione rapida. Ad oggi gran parte del lavoro è stato condotto su materiali polimerici, ma lo sviluppo di di nuovi processi come il Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ha permesso di costruire oggetti funzionali utilizzando materiali differenti come metalli, ceramici e compositi. L'evoluzione dell'AM negli ultimi 20 anni è stata enorme portando alla produzione di parti funzionali direttamente senza utilizzare altri attrezzi. Nell'AM il materiale è aggiunto strato dopo strato a creare un oggetto solido near-net-shape di quasi ogni forma partendo da un modello CAD. Questo nuovo processo produttivo garantisce una grande libertà di progettazione permettendo la progettazione di manufatti complessi altrimenti impossibili da produrre. Il principale interesse industriale riguarda la produzione di parti nei settori automobilistico e aerospaziale, un altro campo di ricerca interessante è quello biomedico. Tra i materiali metallici usati per l'AM possiamo trovare le leghe di Al, le leghe Cr-Co, gli acciai, le leghe di Ti, l'Inconel e le leghe di Au. In questo lavoro concentreremo la nostra attenzione sulle leghe Al-Si ipoeutettiche, già ampiamente utilizzate per colata e ora riceventi attenzione crescente per l'applicazione a questi nuovi processi. Questo lavoro è parte di un progetto in collaborazione con IIT-Torino, partner attrezzato con uno strumento per la tecnologia additiva DMLS. Nel DMLS strati di polvere metallica atomizzata sono stesi su una piattaforma preriscaldata e fusi localmente da un laser a fibra ottica di Yb ad elevata potenza secondo il disegno stabilito dal modello CAD. Una volta terminato il primo strato, la piattaforma si abbassa dello spessore di uno strato, il materiale viene ricoperto da nuova polvere e il processo viene ripetuto fino a completare il pezzo. Durante questo processo i pozzetti di fusione vengono temprati dagli strati solidificati in precedenza. Avviene una solidificazione rapida le cui caratteristiche non sono ancora ben definite nonostante siano presenti conseguenze sulle proprietà meccaniche, stress residui. Per comprendere meglio il meccanismo di solidificazione del DMLS, sono stati prodotti altri campioni utilizzando altre tecniche di solidificazione rapida, la colata in stampo di rame e il melt spinning, che coprono un ampio range di velocità di raffreddamento. I campioni ottenuti attraverso colata in stampo di rame, melt spinning, DMLS e le polveri iniziali sono stati caratterizzati usando il microscopio ottico, il SEM e il FESEM, inoltre è stata eseguita una caratterizzazione sia strutturale che termica utilizzando l'XRD e il DSC. Dai risultati ottenuti con questi metodi di caratterizzazione e attingendo alla vasta letteratura disponibile sulle leghe Al-Si solidificate rapidamente, in questo lavoro si è cercato stabilire una correlazione microstrutturale tra queste tre tecniche di solidificazione rapida. Analizzando la supersaturazione (attraverso i parametri reticolari), le risposte calorimetrie (attraverso la temperatura e il calore di precipitazione) e la dimensione delle caratteristiche microstrutturali (dendriti e eutettico) è stato proposto un meccanismo di solidificazione in funzione della velocità di raffreddamento che permetterà di interpretare la microstruttura fine che si sviluppa durante l'AM
LEGHE AlSi PER ADDITIVE MANUFACTURING PROCESSI DI RAPIDA SOLIDIFICAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI
MAROLA, SILVIA
2015/2016
Abstract
L'Additive Manufacturing (AM) è un nuovo e promettente campo produttivo, che si riferisce a un gruppo di tecnologie sviluppate nell'ultima decade e che prende ispirazione dai progressi della prototipazione rapida. Ad oggi gran parte del lavoro è stato condotto su materiali polimerici, ma lo sviluppo di di nuovi processi come il Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ha permesso di costruire oggetti funzionali utilizzando materiali differenti come metalli, ceramici e compositi. L'evoluzione dell'AM negli ultimi 20 anni è stata enorme portando alla produzione di parti funzionali direttamente senza utilizzare altri attrezzi. Nell'AM il materiale è aggiunto strato dopo strato a creare un oggetto solido near-net-shape di quasi ogni forma partendo da un modello CAD. Questo nuovo processo produttivo garantisce una grande libertà di progettazione permettendo la progettazione di manufatti complessi altrimenti impossibili da produrre. Il principale interesse industriale riguarda la produzione di parti nei settori automobilistico e aerospaziale, un altro campo di ricerca interessante è quello biomedico. Tra i materiali metallici usati per l'AM possiamo trovare le leghe di Al, le leghe Cr-Co, gli acciai, le leghe di Ti, l'Inconel e le leghe di Au. In questo lavoro concentreremo la nostra attenzione sulle leghe Al-Si ipoeutettiche, già ampiamente utilizzate per colata e ora riceventi attenzione crescente per l'applicazione a questi nuovi processi. Questo lavoro è parte di un progetto in collaborazione con IIT-Torino, partner attrezzato con uno strumento per la tecnologia additiva DMLS. Nel DMLS strati di polvere metallica atomizzata sono stesi su una piattaforma preriscaldata e fusi localmente da un laser a fibra ottica di Yb ad elevata potenza secondo il disegno stabilito dal modello CAD. Una volta terminato il primo strato, la piattaforma si abbassa dello spessore di uno strato, il materiale viene ricoperto da nuova polvere e il processo viene ripetuto fino a completare il pezzo. Durante questo processo i pozzetti di fusione vengono temprati dagli strati solidificati in precedenza. Avviene una solidificazione rapida le cui caratteristiche non sono ancora ben definite nonostante siano presenti conseguenze sulle proprietà meccaniche, stress residui. Per comprendere meglio il meccanismo di solidificazione del DMLS, sono stati prodotti altri campioni utilizzando altre tecniche di solidificazione rapida, la colata in stampo di rame e il melt spinning, che coprono un ampio range di velocità di raffreddamento. I campioni ottenuti attraverso colata in stampo di rame, melt spinning, DMLS e le polveri iniziali sono stati caratterizzati usando il microscopio ottico, il SEM e il FESEM, inoltre è stata eseguita una caratterizzazione sia strutturale che termica utilizzando l'XRD e il DSC. Dai risultati ottenuti con questi metodi di caratterizzazione e attingendo alla vasta letteratura disponibile sulle leghe Al-Si solidificate rapidamente, in questo lavoro si è cercato stabilire una correlazione microstrutturale tra queste tre tecniche di solidificazione rapida. Analizzando la supersaturazione (attraverso i parametri reticolari), le risposte calorimetrie (attraverso la temperatura e il calore di precipitazione) e la dimensione delle caratteristiche microstrutturali (dendriti e eutettico) è stato proposto un meccanismo di solidificazione in funzione della velocità di raffreddamento che permetterà di interpretare la microstruttura fine che si sviluppa durante l'AM| File | Dimensione | Formato | |
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