Analysis of process productivity and density in SLM of 18Ni300 tool steel

In the present thesis work a constrained optimization model about productivity of the additive manufacturing SLM machine Renishaw AM250 has been developed. Because of the long time required by the technology, it’s essential to have a prevision of the final result, both in terms of quality levels and process’ duration. From literature, plenty of building time and build rate estimators are available, but all of them are generic for additive technologies and therefore not directly suitable for this machine. The model developed is specific for a laser pulse modulated mode process, since the analytic part takes into account every step of the scanning process. Its convenience is to identify the process parameters maximizing build rate and satisfying the imposed constraints consisting in apparent density value of the products and their dimensional accuracy. Furthermore, in the elaboration, effects of process parameters on productivity, density and dimensional accuracy were deepened, since their dependence is significant. The study has been carried out on tool steel 18Ni300 powder. Different levels of fluence have been investigated: parameters subjected to variation include exposure time of the laser, distance between scan points, distance between scan lines and slice thickness. Later, laser beam compensation has been studied as well. Along with the validation of the model, its robustness was tested on specimens with different dimensions. Concerning build rate estimation, it turned out to be accurate, showing an error limited to 1.64%. Density levels reached are between 98% and 99%, slightly below the expected value. Dimensional accuracy was not enhanced as wished, since a mean error of 57 µm was measured on 10 mm diameters. In closing, the effects of the specimen’s dimensions, i.e. height and diameter, on the two qualitative aspects already mentioned, were analysed, and a density drop concerning parts characterized by a wide scan area was noticed.

Nel presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello di ottimizzazione vincolata riguardante la produttività della macchina di additive manufacturing SLM Renishaw AM250. Date le lunghe tempistiche di stampa richieste dalla tecnologia, è fondamentale avere una previsione del risultato finale, sia in termini di qualità che di durata della lavorazione. Dalla letteratura, sono disponibili molti estimatori di tempo di processo e di produttività, ma sono tutti generici per le tecnologie additive e quindi non applicabili direttamente a questa macchina. Il modello sviluppato è specifico per un processo caratterizzato da una modulazione laser a impulso, dal momento che la parte analitica prende in considerazione ogni step del processo. L’utilità del modello è quella di individuare i parametri di processo per massimizzare il tasso produttivo e allo stesso tempo soddisfare i vincoli imposti di densità apparente e accuratezza dimensionale dei prodotti. Nell’elaborazione, si sono inoltre approfonditi gli effetti dei parametri di processo su produttività, densità e accuratezza dimensionale. Lo studio è stato condotto su polvere di acciaio per utensili 18Ni300. Diversi livelli di fluenza sono stati indagati: i parametri soggetti a variazione comprendono il tempo di esposizione del laser, la distanza dei punti di scansione, la distanza delle linee di scansione e lo spessore dello strato di polvere. Successivamente è stata studiata anche la compensazione del fascio laser. Il modello è stato poi verificato, andando anche a testarne la robustezza su provini di dimensioni differenti. Lo stesso è risultato accurato dal punto di vista della stima della produttività, mostrando un errore limitato all’1.64%. Le densità ottenute sono comprese tra il 98% e il 99%, un livello leggermente inferiore a quanto aspettato. L’accuratezza dimensionale non è stata aumentata della quantità auspicata, in quanto è stato riscontrato un errore medio di 57 µm su diametri di 10 mm. Infine, sono stati analizzati gli effetti delle dimensioni del provino sui due aspetti qualitativi già citati in precedenza, risultando in un calo di densità per campioni caratterizzati da un’ampia area di scansione.