Design, production and testing of a selective laser melting system with high temperature preheating

The continuous development of virtual prototyping environments and laser technologies applied to Additive Manufacturing processes (AM), made it possible for Selective Laser Melting to be employed in the industry to produce mechanical components with complex geometries without the need of dedicated tools. The next step forward for SLM technology is being able to process also all those materials highly sensitive to the thermal cycle that this process involves. Now even in industrial machine it is common practice to preheat the powder bed before printing to reduce the thermal cooling gradient. In this thesis work, this concept was pushed to the limit, combining SLM technology with induction heating. The main purpose of this work was in fact the design, production and implementation of a prototype for the High Temperature Selective Laser Melting (HT-SLM). The prototype in question, called Vulcano, can heat the powder bed up to 800°C. In addition to the ability to preheat the powders, the system was equipped with a software that allows the operator to control the cooling cycle of the material, allowing he to perform small heat treatments in the machine. At the design and production phase, a testing phase was also added. For the experimentation phase it was decided to use Ti48Al2Cr2Nb. An alloy particularly appreciated for its characteristics like those of super Ni-based superalloys but which has half their density. However, this material is very susceptible to cracking phenomena. Cracks that are generated by the large thermal gradient to which components are subjected during the SLM process. Thanks to the new working cycle allowed by the prototype, it was possible to suppress this phenomenon completely. Moreover, an apparent density of more than 99% and a microhardness like product made by Electron Beam Melting, actual competitor of HT-SLM, is achieved

Il continuo sviluppo degli ambienti di prototipazione virtuale e delle tecnologie laser applicate ai processi di produzione additiva, ha reso possibile l'impiego del processo di Selective Laser Melting (SLM) per la produzione di componenti meccanici con geometrie complesse senza la necessità di strumenti dedicati. Il prossimo passo in avanti per la tecnologia SLM sarà la possibilità di processare anche tutti quei materiali altamente sensibili al ciclo termico che questo processo comporta. Anche in ambito industriale è oramai pratica comune preriscaldare letto di polvere prima della stampa per ridurre il gradiente di raffreddamento termico. In questo lavoro di tesi, questo concetto è stato spinto al limite, combinando la tecnologia SLM con il riscaldamento a induzione. Lo scopo principale di questo lavoro è stato infatti la progettazione, la produzione e l'implementazione di un prototipo per High Temperature Selective Laser Melting (HT-SLM). Il prototipo in questione, chiamato Vulcano, può riscaldare il letto di polvere fino ad una temperatura di 800°C. Oltre alla possibilità di preriscaldare le polveri, il sistema è stato dotato di un software che consente di controllare il ciclo di raffreddamento del materiale, consentendo di eseguire piccoli trattamenti termici nella macchina. Alla fase di progettazione e produzione è stata aggiunta anche una fase di testing. Per questa fase è stato deciso di utilizzare il Ti48Al2Cr2Nb. Una lega particolarmente apprezzata per le sue caratteristiche simili alle superleghe a base di Nichel ma che ha la metà della loro densità. Tuttavia, questo materiale è molto suscettibile ai fenomeni di “cracking”. Cricche che vengono generate appunto dal severo gradiente termico a cui vengono sottoposti i componenti durante il processo SLM. Grazie al nuovo ciclo di lavoro consentito dal prototipo, è stato possibile sopprimere completamente questo fenomeno. Inoltre, è stata raggiunta una densità apparente superiore al 99% e una microdurezza simile ad un pezzo prodotto tramite Electron Beam Melting, concorrente attuale della tecnologia HT-SLM.