Effect of printing parameters on micro-structure and mechanical properties of extrusion-based additively manufactured parts

Additive Manufacturing (AM) has evolved in just a few years from the production of prototypes to a process that produces high-quality end parts. Medical, aerospace, automotive and tooling design applications have been significantly affected by the implementation of AM. Recent advances in this technology have seen its use become far more widespread and it offers exciting possibilities for future development. The purpose of this work is to perform experimental research to investigate the effect of printing parameters on microstructure, physical and mechanical properties of additively manufactured ceramics (alumina and zirconia) and metallic parts (stainless steel 316L). The study was carried out by EFeSTO, a specially developed 3-degree parallel kinematic machine. A combination of CAD, μ-CT, mesh refining and slicing software and technology is used to develop and optimize the resulting G-Code for table movement and material extrusion that is fed to the 5-axis machine tool controller. A variety of parts were printed using different levels of design parameters. The created parts are subjected to a two-step debinding process and a one-step sintering process to achieve final shape. Various instruments were used to measure the required mechanical properties and inspect the microstructure of additively manufactured samples. Several samples and repeated measurements support the validation of the experimental results. The physical and mechanical properties i.e. weight change, volumetric and longitudinal shrinkage, density, Vickers hardness, flexural strength and fracture toughness of the samples were measured. The effect of part orientation, printing speed and layer height of the samples was studied on the mechanical properties. The correlation for the interdependence of the mechanical properties of additively manufactured ceramic parts was observed. The experimental density of the samples was lower than their respective theoretical density. The difference between the experimental and theoretical values was marginal for zirconia while for SS316L, the difference was found to be significant. The average % weight loss after solvent debinding for zirconia and alumina was 6.12% and 6.97% respectively and the average % weight loss after thermal debinding for zirconia and alumina was 12.97% and 13.71% respectively. The binder content in SS316L was the lowest of all the three material that accounted for its lowest percentage weight change. The volumetric shrinkage for SS316L showed an increasing trend for each increment of extrusion velocity and the optimized shrinkages were obtained at the layer height of ‘0.4’mm. The longitudinal shrinkage for SS316L exhibited an unclear pattern when plotted against extrusion velocity whereas when plotted against layer height, an increasing trend was obtained. Part orientation is the most significant factor for Vickers hardness and flexural strength in both the ceramic (alumina and zirconia) and metallic (stainless-steel 316L) samples. The Vickers hardness of the specimens built in a vertical orientation has the highest, while the flexural strength was highest for the horizontal orientation specimens. Whereas extrusion velocity was found out to be non-significant for both hardness and flexural strength. In addition, the metallic (stainless-steel 316L) parts were manufactured by varying the layer height, and specimens with higher layer height showed higher hardness and flexural strength within the same orientation and at constant extrusion velocity, as compared to lower layer height. Fracture toughness of ceramic parts (alumina and zirconia) was calculated. A marginal increase in KIc with the increase in the extrusion velocity was observed. The correlations of fracture toughness with elastic modulus, hardness, flexural strength and density were studied. The fracture toughness of both alumina and zirconia shows an increasing trend with elastic modulus and flexural strength and a decreasing trend with hardness and density.

La produzione additiva (AM) si è evoluta in pochi anni dalla produzione di prototipi a un processo che produce parti finali di alta qualità. Le applicazioni mediche, aerospaziali, automobilistiche e di progettazione degli utensili sono state significativamente influenzate dall'implementazione di AM. I recenti progressi in questa tecnologia hanno visto il suo uso diventare molto più diffuso e offre interessanti possibilità per lo sviluppo futuro. Lo scopo di questo lavoro è di effettuare ricerche sperimentali per studiare l'effetto dei parametri di stampa sulla microstruttura, le proprietà fisiche e meccaniche di ceramiche prodotte addizionalmente (allumina e zirconia) e parti metalliche (acciaio inossidabile 316L). Lo studio è stato condotto da EFeSTO, una macchina cinematica parallela di 3 gradi appositamente sviluppata. Una combinazione di software e tecnologia CAD, μ-CT, mesh refining e slicing viene utilizzata per sviluppare e ottimizzare il codice G risultante per il movimento del tavolo e l'estrusione del materiale che viene alimentato al controllore della macchina utensile a 5 assi. Una varietà di parti sono state stampate utilizzando diversi livelli di parametri di progettazione. Le parti create sono sottoposte a un processo di debinding in due fasi e un processo di sinterizzazione in un'unica fase per ottenere la forma finale. Vari strumenti sono stati utilizzati per misurare le proprietà meccaniche richieste e ispezionare la microstruttura di campioni prodotti in modo additivo. Diversi campioni e misurazioni ripetute supportano la convalida dei risultati sperimentali. Sono state misurate le proprietà fisiche e meccaniche, cioè il cambio di peso, il ritiro volumetrico e longitudinale, la densità, la durezza Vickers, la resistenza alla flessione e la tenacità alla frattura dei campioni. L'effetto dell'orientamento della parte, della velocità di stampa e dell'altezza dello strato dei campioni è stato studiato sulle proprietà meccaniche. È stata osservata la correlazione per l'interdipendenza delle proprietà meccaniche delle parti ceramiche additivate. La densità sperimentale dei campioni era inferiore alla loro rispettiva densità teorica. La differenza tra i valori sperimentali e teorici era marginale per la zirconia mentre per SS316L la differenza è risultata significativa. La perdita di peso media% dopo il debiramento con solvente per zirconia e allumina era rispettivamente del 6,12% e del 6,97% e la perdita di peso media% dopo l'indebolimento termico per zirconio e allumina era rispettivamente del 12,97% e del 13,71%. Il contenuto del legante in SS316L era il più basso di tutti e tre i materiali che rappresentavano la variazione percentuale minima di peso. La contrazione volumetrica per SS316L ha mostrato una tendenza crescente per ciascun incremento della velocità di estrusione e le contrazioni ottimizzate sono state ottenute all'altezza dello strato di "0,4" mm. Il ritiro longitudinale per SS316L ha mostrato un andamento poco chiaro quando tracciato contro la velocità di estrusione mentre quando è stato tracciato contro l'altezza dello strato, è stata ottenuta una tendenza crescente. L'orientamento delle parti è il fattore più significativo per la durezza Vickers e la resistenza alla flessione nei campioni di ceramica (allumina e zirconia) e metallico (acciaio inossidabile 316L). La durezza Vickers dei campioni costruiti con un orientamento verticale ha il valore più alto, mentre la resistenza alla flessione era maggiore per i campioni con orientamento orizzontale. Mentre la velocità di estrusione è risultata non significativa sia per la durezza che per la resistenza alla flessione. Inoltre, le parti metalliche (acciaio inossidabile 316L) sono state prodotte variando l'altezza dello strato e campioni con altezza dello strato più elevata hanno mostrato maggiore durezza e resistenza alla flessione con lo stesso orientamento e velocità di estrusione costante, rispetto all'altezza dello strato inferiore. È stata calcolata la resistenza alla frattura delle parti in ceramica (allumina e ossido di zirconio). È stato osservato un aumento marginale di KIc con l'aumento della velocità di estrusione. Sono state studiate le correlazioni della resistenza alla frattura con modulo elastico, durezza, resistenza alla flessione e densità. La tenacità alla frattura sia di allumina che di zirconia mostra una tendenza crescente con modulo elastico e resistenza alla flessione e una tendenza decrescente con durezza e densità.