Selective laser melting of A357 aluminum alloy : evaluation of fluence as a reliable process parameter

Selective laser melting is the definition used for the additive manufacturing technology that builds the desired part through the complete melting (by a laser source) and consequent solidification of metallic powder bed layers, according to the information derived from a 3D CAD file. The main advantage of this technology is the possibility to produce samples with very complicated geometries, without the need of many post-processing operations. Improvements in density and tensile properties of the final parts represent a challenge and a research theme in this relatively new production technology. A study of literature shows that fluence, representing the quantity of energy per surface unit delivered by the laser beam to the powder bed, can be a challenging process parameter with respect to single parameters such as exposure time, point distance, hatch distance and focus distance. For this reason the main aim of this thesis work is to investigate the influence of single process parameters and fluence on the final properties (density, UTS and yield strength) of the produced part. In particular an aluminum alloy powder (A357) was used as material and a Renishaw AM 250 machine as SLM system. The experiments were designed by DOE (Design of Experiments) techniques and an experimental plan with 4 different fluence levels and the respective single process parameters combinations was implemented. Density measurements and tensile tests showed that almost all fully dense specimens were produced, having averagely stable tensile properties. Two regression models – one depending on single process parameters and one depending on fluence – for every property were used to study the influence of the process parameters and eventually compared. The final results showed that fluence represents a reliable parameter in terms of density, UTS and yield prediction and thus single process parameters belonging to the same fluence level can be adjusted according to some optimization criterion – such as productivity improvement – without significant changes in the final part properties.

Selective Laser Melting (SLM) è la definizione utilizzata per la tecnologia di tipo Additive Manufacturing (AM) che produce il componente desiderato attraverso la fusione completa (mediante una sorgente laser) e la conseguente solidificazione degli strati di letto di polvere metallica, in base alle informazioni fornite da un file CAD 3D. Il vantaggio principale di questa tecnologia è la possibilità di produrre campioni con geometrie molto complicate, senza la necessità di molte operazioni di post-processing. Miglioramenti nella densità e nelle proprietà di trazione dei componenti prodotti rappresentano una sfida e un tema di ricerca in questa relativamente nuova tecnologia di produzione. Uno studio della letteratura mostra che la fluenza, che rappresenta la quantità di energia per unità di superficie fornita dal raggio laser al letto di polvere, può essere un parametro di processo più preciso rispetto a singoli parametri come exposure time, point distance, hatch distance e focus distance. Per questo motivo, il principale obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare l'influenza dei singoli parametri di processo e della fluenza sulle proprietà finali (densità, UTS e forza di snervamento) della parte prodotta. In particolare è stata utilizzata una polvere di lega di alluminio (A357) come materiale e una macchina AM 250 di Renishaw come sistema SLM. Gli esperimenti sono stati progettati tramite tecniche DOE (Design of Experiments) ed è stato implementato un piano sperimentale con 4 diversi livelli di fluenza con le rispettive combinazioni di singoli parametri di processo. Misurazioni di densità e prove di trazione hanno mostrato che tutti i provini prodotti sono risultati essere quasi completamente densi, con proprietà di trazione mediamente stabili. Due modelli di regressione - uno in base ai singoli parametri di processo e uno in base alla fluenza - per ogni proprietà sono stati utilizzati per studiare l'influenza dei parametri di processo e infine confrontati. I risultati finali hanno mostrato che la fluenza rappresenta un parametro affidabile in termini di previsione di densità, UTS e forza di snervamento e quindi i singoli parametri di processo appartenenti allo stesso livello di fluenza possono essere regolati secondo alcuni criteri di ottimizzazione - come il miglioramento della produttività - senza cambiamenti significativi nelle proprietà finali del provino.