Sviluppo di un sistema prototipale SLM per migliorare la densità di riporti in Zn biodegradabile

The zinc and its alloys are innovative materials on the medical panorama for the property of biodegradability in the human body. The possibility of customization offered by additive technology and the biodegradability of the material let the production of temporary prosthesis very attractive. The selective laser melting from a powder bed has been used in this master Thesis to reach full dense zinc deposits. The difficult to get specimens with absence of pores required a study on the process about pure zinc deposition with the construction, like completing project, a fully automated and flexible machine able to do the job. The prototype has been able to do all the operations to get the specimens with the minimum interference of the human operator. The full system consist of the prototype, the fiber laser source and a galvo scan head. The difficult to reach fully dense specimen of zinc is proved by absence of literature. The zinc presents low melting temperature and more important very low evaporation temperature. These characteristics make the zinc one of the most difficult material workable under a high power laser beam. The common SLM materials, like titanium CoCr alloys and stainless steel, have high melting point and, of course, high evaporation point. Despite the drawbacks of the SLM of pure zinc, the biodegradable characteristic of the zinc makes this metal very attractive for additive manufacturing. The research has reach, for few specimens, a density greater of 99%. With all the data acquire, we propose a process window for powder of pure zinc by SLM support by mathematic model able to characterize the problems of low melting metals, like material evaporation.

Lo zinco e le sue leghe sono materiali innovativi nel panorama biomedicale data la loro proprietà di biodegradabilità all’interno del corpo umano. La possibilità di personalizzazione offerta dalle tecnologie additive e la caratteristica di biodegradabilità del materiale rendono la realizzazione di protesi temporanee in zinco molto interessante. La tecnologia di fusione selettiva a letto di polvere tramite fascio laser è stata utilizzata in questa tesi al fine di ottenere riporti densi di zinco. La difficoltà nell’ottenimento di provini con assenza di pori ha necessitato uno studio sul processo di deposizione di zinco con la costruzione, come progetto integrante della tesi stessa, di una macchina completamente automatizzata e flessibile in grado di effettuare i depositi. Il sistema per effettuare la lavorazione, oltre al prototipo, sfrutta una sorgente laser in fibra ed una testa di scansione. La difficoltà di lavorazione nello zinco è testimoniata anche dalla assenza di documentazione in letteratura. Lo zinco, rispetto a materiali molto più adatti a questa tecnologia (SLM), come acciaio inossidabile oppure leghe di titanio, presenta un basso punto di fusione ed ancora più importante una modesta temperatura di evaporazione. Le particolari caratteristiche dello zinco puro, tra cui la biodegradabilità, rendono il materiale molto interessante nel panorama di realizzazione di prodotti tramite tecniche additive, ma anche molto complicato. Lo studio si è concluso con il raggiungimento di densità maggiori del 99% in alcuni dei provini realizzati. Sulla base dei risultati ottenuti è stata definita una zona di fattibilità per la polvere di zinco puro avvallata dal modello matematico studiato per caratterizzare le problematiche che affliggono i materiali bassofondenti, quale l’evaporazione del materiale.