Influence of powder and process parameters on SLM final part properties

Selective Laser Melting (SLM) is a new manufacturing process allowing to build parts directly from CAD models using a layer-by-layer approach. This technology is fundamen-tally different from traditional machining, where material is removed to obtain the final part. Additive Manufacturing attracted attention in the last decade due to its several ad-vantages in respect to traditional processes, such as free-design and reduced lead times. Despite being known for almost 20 years, only recently the technology allowed to obtain metal parts with high density and acceptable mechanical properties. Due to the increased reliability of the process, its application are shifting toward aerospace and automotive in-dustries, where quality assessment requirements are strict especially for structural parts. As a consequence, a growing interest on the qualification aspects of SLM parts is of fun-damental importance for a wider spread of the technology. In this thesis three topics related to quality assessment of SLM parts are tackled. The first is the relationship between Fluence and final part properties; Fluence is defined as the amount of energy delivered to the powder bed and it depends directly on the process pa-rameters. In particular, the effectiveness of Fluence as indicator for densification is studied using a purposely design of the experiment based on a V-optimal approach. It was demon-strated that in a steady region of the parameters, Fluence is able to predict density and tensile properties with an increased accuracy in respect to individual process parameters. This approach was used to identify new processing conditions with enhanced productiv-ity. Secondly, the influence of the atomization process (air and water atomization) for stainless steel powders was studied using two particle size distributions and two levels of layer thickness. It was found that when changing layer thickness, Fluence is not a reliable index. Despite the differences in terms of shape and chemical composition, the two atom-ization processes were not found statistically different. Finally, the relationship between the porosity structure, acquired through X-ray Computed Tomography, and tensile proper-ties was studied. Porosity structures at different processing conditions were qualitatively analysed and discussed. An empirical relationship between porosity structure and elonga-tion was obtained which could be used to predict mechanical properties starting from the volume of pores found in a SLM part.

Selective Laser Melting (SLM) è una nuova tecnologia che permette la produzioni di parti direttamente dal modello CAD e si basa su un approccio layer-by-layer. Questa tecnologia è molto differente dai sistemi di produzione tradizionali, dove il pezzo finale è ottenuto per rimozione di materiale. L’interesse per la produzione additiva è cresci-uta notevolmente nell’ultimo decennio grazie ai vantaggi che offre rispetto alle tecnolo-gie tradizionali, come per esempio la possibilità di produrre pezzi ad elevata complessità geometrica e la riduzione dei lead-time di progettazione. Nonostante la stampa addi-tiva sia realtà da 20 anni, solamente recentemente l’avanzamento tecnologico ha per-messo di produrre pezzi metallici con caratteristiche meccaniche soddisfacenti. Grazie all’avanzamento tecnologico, le applicazioni SLM si sono sviluppate in diversi ambiti, quale aerospaziale e automotive, che richiedono elevati standard di qualità soprattutto per quanto riguarda le parti strutturali. Per questo motivo, un sempre maggiore interesse nell’ambito SLM è dedicato al processo di qualifica delle parti al fine di permettere una diffusione sempre maggiore della tecnologia. In questa tesi si sono trattati tre temi riguardanti la qualifica delle parti prodotti tramite SLM. Il primo tema è la relazione tra i parametri di processo e la fluenza del laser; la fluenza è definita come la quantità di energia che emette il laser e dipende direttamente dai parametri di processo. In particolare, si è studiato se è sufficiente utilizzare la fluenza come indicatore sintetico per descrivere le proprietà meccaniche dei manufatti. Si è dimostrato che in una regione stabile dei parametri la fluenza può essere utilizzata per predire le pro-prietà meccaniche indipendentemente dai parametri di processo; questo approccio è stato utilizzato per identificare nuovi parametri ottimi di processo tramite un criterio di mas-simizzazione della produttività. In secondo luogo, è stato studiato l’effetto della tipologia di atomizzazione della polvere sulle caratteristiche finali dei pezzi SLM. Polveri prodotte con due processi di atomiz-zazione a due diverse granulometrie sono stati stampate SLM; il risultato mostra che at-omizzazione ad acqua e ad aria non risultano in differenti caratteristiche meccaniche e che la fluenza non è più un indicatore sintetico quando viene modificata l’altezza del layer. Infine, sono state individuate relazioni empiriche tra struttura di porosità (ottenuta tramite tomografia computerizzata) e le proprietà meccaniche di trazione.