Quality monitoring and inspection of lattice structures in additive manufacturing

In the last years, Additive Manufacturing has become one of the leading technologies in the framework of Industry 4.0 with various applications in key industrial sectors, e.g. aerospace, biomedical, automotive, tooling and moulding, etc. Among the several benefits provided by the additive technology, there is the possibility of producing complex lightweight structures that can not be produced via conventional methods. One example of these structures is called "lattice", which consists in the replication of a reticular cell within a defined volume. In the aerospace sector, it allows reducing the overall mass of the part without decreasing the mechanical properties. In the biomedical field, it enables the production of prosthesis with advanced osteointegration performances. This thesis specifically focuses on biomedical applications where quality and qualification requirements are very stringent, but, on the other hand, there is a lack of methods and standards to determine the quality of such complex structures. Discovering the existence of defects inside the lattice components at different levels of detail becomes of fundamental importance. This thesis aims at investigating and developing a novel quality inspection method for hard tissues prosthesis realized with the lattice approach. The underlying idea consists of identifying a "signature" of the lattice structure suitable to study both the variability of the trabecular structure within each single part and between copies of the same part. The signature relies synthetic descriptors extracted from X-ray computer tomography analysis and analysed in a statistical process monitoring framework. The method was applied to the characterization of different lattice components produced via Fused Deposition Modelling. The results show that the proposed approach can be used to support the development of novel quality inspection and characterization tools for this kind of innovative products.

Negli ultimi anni, l'Additive Manufacturing sta acquisendo un'importanza sempre maggiore nel contesto delle tecnologie leader dell'industria 4.0, con diverse applicazioni in settori industriali chiave come quello aerospaziale, biomedico, automobilistico, manifatturiero, fonderia, ecc. Fra i vari benefici di cui gode la tecnologia additive, c'è soprattuto la possibilità di produrre complesse strutture leggere, che non possono essere realizzate attraverso i metodi convenzionali di produzione. Un esempio di queste strutture è dato dalla "struttura reticolare", che consiste nella replica di celle all'interno di un volume di spazio ben de nito. Nel settore aerospaziale, questa tecnica ha più volte permesso la riduzione della massa totale del componente, senza diminuirne però le caratteristice meccaniche. Nel settore biomedico, questa tecnologia ha inoltre reso possibile la realizzazione di protesi con tecniche di osteointegrazione avanzate. Questa tesi si focalizza nello specifico sulle applicazioni biomediche, dove, nonostante i requisiti per la qualità risultino molto stringenti, si osserva una mancanza di metodi e standards che assolvano questo compito. L'individuazione dei difetti all'interno della struttura reticolare dei componenti, a diversi livelli di dettaglio, diventa, dunque, di fondamentale importanza. Il presente lavoro ha come obiettivo lo sviluppo di una nuova metodologia di controllo qualità per protesi di tessuti duri, realizzati con l'approccio lattice. L'idea di base consiste nell'identificare una " firma" della struttura reticolare, disponibile per lo studio della variabilit a della struttura trabecolare sia all'interno di ogni singola parte, che fra copie dello stesso componente. La "firma" trova fondamento nei descrittori sintetici estratti dall'analisi tomografica ai raggi X, e successivamente elaborata mediante procedure statistiche. Il metodo è stato quindi applicato per la caratterizzazione di differenti componenti reticolari prodotti attraverso "Fusion Deposition Modelling". I risultati hanno dimostrato che il modello proposto può essere adottato per lo sviluppo di nuove tecniche di controllo qualità e caratterizzazione di strumenti per questo nuovo tipo di prodotti.