Surface finishing of complex shape dies produced by selective laser melting

Additive manufacturing (AM) is a new generation of production technology, which allows to produce “near net shape” components in a single step. A high number of advantages in different fields have been made possible by this technology, including dies integrated with "conformal cooling" channels. However, despite the many advantages, there are still some challenges that AM has to face in order to increase its productivity and bring it to a larger scale, such as production time, the limited number of printable components per each cycle, and the surface finishing, since, for some specific applications it is not possible to use directly the as-built components. This dissertation project addresses the latter challenge. The aim is to verify the applicability and effectiveness of the vibro-finishing on the components produced by the AM process. In particular, the process was tested to evaluate whether it is able to work at the same time both the external and the internal surfaces. This investigation is carried out by the design and integration of different channel designs inside AM printed parts. Subsequently they were treated with different vibro-finishing techniques. Roughness measurement by a stylus profilometer and analysis of the surface morphology through Stereomicroscopy and (scanning electron microscope) SEM were carried out. The use of a new type of machine, produced by Rösler, brought excellent results. Through this machinery, named "Domeless", it was possible to obtain low roughness values necessary for direct application or other treatments (such as wear-resistant coating). The last step of this dissertation project consisted of a practical application of AM aimed at the realization of nozzles for the production of abrasive media. The nozzles were produced by AM and vibro-finished to achieve the desired surface finishing.

La fabbricazione additiva (in inglese; Additive Manufacturing - AM) è una tecnologia di produzione innovativa che permette di realizzare componenti “near net-shape” dal design ottimizzato in un solo step, non realizzabili tramite tecniche convenzionali. Questa tecnologia offre dunque enormi possibilità in diversi campi, tra cui quella di creare stampi provvisti di “conformal cooling channels”. Tuttavia, nonostante i numerosi vantaggi, vi sono ancora alcune sfide che la AM deve affrontare per incrementare la produttività e portarla ad una scala maggiore, tra cui la riduzione del tempo di produzione, la limitata quantità di componenti stampabili e quella della finitura superficiale poiché i componenti così prodotti non sono immediatamente utilizzabili. Questo lavoro di tesi si inserisce all’interno di quest’ultima tematica e mira a verificare l’applicabilità e l’efficacia del processo di vibro-finitura su componenti prodotti mediante AM. In particolare sono state analizzate le potenzialità di tale processo nel trattare contemporaneamente, in un solo step produttivo e col minor intervento possibile da parte dell’operatore, sia le superfici esterne sia quelle interne degli eventuali canali di termostatazione di uno stampo. Per fare questo, sono state prima progettate e stampate, mediante la tecnica del Selective Laser Melting (SLM), diverse tipologie di provini con il compito specifico di simulare entrambi i tipi di superfici da trattare e le diverse geometrie di canali di raffreddamento. Successivamente, sono state effettuate misure di rugosità tramite profilometro stilo, seguite da analisi al microscopio Stereo e al (microscopio elettronico a scansione) SEM per meglio comprendere il processo di lavorazione. L’utilizzo di un nuovo tipo di macchinario prodotto da Rösler ha permesso di raggiungere ottimi risultati. Tramite questo macchinario, denominato “Domeless”, sono stati raggiunti valori di rugosità utili per l’applicazione diretta o per l’attuazione di ulteriori step produttivi quali il rivestimento con “coating” anti usura. Infine, è stato analizzato un caso particolare riguardante la realizzazione di trafile per la produzione di media abrasivi a matrice polimerica mediante AM. Le teste di estrusione, così ottenute, sono state vibro-finite in modo tale da raggiungere la finitura superficiale desiderata.