Additive manufacturing of laser cutting nozzles by SLM : processing, finishing and performance characterization

In the present work the use of Selective Laser Melting (SLM) to prototype laser cut nozzles with complex inner geometries has been explored, together with the development of a procedure to finish the inner walls of the aforementioned components. Nowadays, the increasing demand for high quality in laser cutting, and especially in 3D cuts, pushes towards the introduction of non-axisymmetric geometries for the assistance gas nozzles. Turning allows to manufacture complex, but axisymmetric, geometries, whereas SLM, thanks to its layer-wise approach can give a big advantage in overtaking this limitation. In this work, a geometrical optimization and a procedure of surface quality improvement have been developed starting from the replication of two models of conventional nozzles through SLM. To improve the geometrical reliability of the final nozzles, a regression model relating the nozzle’s diameter obtained from the SLM process and the nominal one has been built; the influence of printing angulation on the geometry of the hole has been analysed too. Sintered particles, together with the alternation of the layers, are the main cause of a poor surface quality of the metal powder-based additive manufacturing processes and, nowadays, this constitutes the weakest point of these technologies. Therefore, a procedure based on a combination of pulsed Electro-Chemical Machining (pulsed ECM) and Abrasive Flow Machining (AFM) has been developed in collaboration with Extrude Hone GmbH to finish the inner surface of the SLM workpieces. The result of this morphological analysis are four prototypes of additively manufactured nozzles: a single and a double chamber nozzle in as-built and post-processed surface quality. Their performance in terms of pressure field at the outlet of the nozzle and schlieren visualizations in free air have been compared against the standard nozzle’s ones. In conclusion, a visual comparison of cutting capability of the SLM nozzles on steel specimens is provided. The performance characterization have shown the effectiveness of SLM, together with the post-processing routine, as a manufacturing method for this kind of components.

Nel presente lavoro viene esplorato l’impiego della fusione selettiva a letto di polvere (selective laser melting – SLM) per la prototipazione di ugelli da taglio laser con geometrie complesse, assieme ad una procedura di finitura delle pareti interne di tali componenti. Attualmente, la crescente richiesta di alta qualità nel taglio laser, e in particolare nel taglio tridimensionale, spinge verso l’introduzione di geometrie non assialsimmetriche per gli ugelli che convogliano il gas d’assistenza. La tornitura consente di ottenere geometrie complesse ma assialsimmetriche, invece, grazie all’approccio basato sulla fabbricazione di componenti strato per strato, la tecnologia SLM può offrire grandi vantaggi nel sorpassare questa limitazione. In questo lavoro, una strategia di ottimizzazione geometrica e una procedura di finitura della superficie interna degli ugelli additive sono state sviluppate partendo dalla replicazione tramite SLM di due modelli di ugelli da taglio laser convenzionali. Per migliorare l’affidabilità geometrica degli ugelli finali, è stato costruito un modello di regressione che mette in relazione la dimensione reale dei diametri dei fori degli ugelli additive con quella nominale; inoltre, è stata analizzata l’influenza dell’angolazione di stampa sulla geometria dei fori. La polvere sinterizzata, assieme all’alternanza dei layer depositati, costituisce la causa principale di scarsa qualità superficiale nei sistemi additivi basati sulle polveri metalliche e ciò, ad oggi, costituisce il principale punto debole di queste tecnologie. Di conseguenza, una procedura di finitura superficiale interna per le superfici ottenute tramite SLM è stata sviluppata in collaborazione con Extrude Hone GmbH e si basa su una combinazione di ECM impulsato e abrasive flow machining (AFM). Il risultato di questa analisi morfologica sono quattro prototipi di ugelli prodotti tramite tecnologia additiva: un ugello a camera singola e uno a camera doppia, entrambi in finitura superficiale “as-built” e lavorata. Le prestazioni in termini pressione all’uscita dell’ugello e visualizzazioni schlieren in aria libera sono state comparate a quelle degli ugelli standard. In conclusione, con una analisi visuale di campioni in acciaio, si danno le prime risposte sulla capacità di taglio degli ugelli sviluppati nel lavoro. La caratterizzazione delle performance ha dimostrato una buona capacità della tecnologia SLM, assieme alla procedura di finitura superficiale, come metodo produttivo per questo tipo di componenti.