Investigating support structures for laser metal deposition

Laser Metal Deposition (LMD) is an Additive Manufacturing (AM) process for metals that produces parts through a continuous direct deposition layer-by-layer of melted metal powder on a substrate of the same material. LMD used to be limited to repairing and cladding existing metal parts, but nowadays new technological developments allow the creation of complete parts with big dimensions when the geometry permits. Research is made on expanding the range of shapes LMD can produce, with the biggest limitation of the shape’s complexity being currently the absence of support structures. Support structures play a key role in successfully producing parts with complex shapes by Additive Manufacturing. The supports diffuse heat during the deposition and enhance rigidity, while balancing the weight and ensuring the correct position of the material deposited on them. Whereas supports are already used by other AM for metals like the technology of Powder Bed Fusion, for now LMD cannot produce them and therefore take advantage of them effectively. The aim of this research is to find a way for implementing support structures in LMD in order to produce more intricate parts. Therefore, the work is based on the principle that the LMD requires development of know-how regarding the production of the supports and that the ideal support for this technology should not only be simple to produce but also easy to remove when the part is completed. This thesis introduces different methods for creating and removing the supports, from which are selected the most auspicious ones. Consequently, in order to implement the selected methods, it arised the necessity of defining material combinations for main depositing material and support structure material. Thus, once identified the most promising material for deposition, the research tests the combinations of depositing stainless steel (AISI316L) on supports made of ceramics and metal alloys. From the experimental phase to discover the most suitable material for supports, a promising result is being identified when stainless steel AISI 316L was deposited on aluminium alloy. The highlight of the result is that the deposition has resulted in a successfully formed shape with a large surface of contact with the substrate that can nonetheless be easily removed after the part completion due to the different thermal shrinkage during cooling of the two metals. The outcome of this research can set in motion a new prospect on what the LMD process can produce once the optimized parameters for the creation of supports will be established. The analysis of the tests show that the success of the deposition depends on the process parameters, the type of the aluminum alloy that is used, its thickness and roughness. Further development in the research should focus on identifying the correct parameters for specific alloy and thickness of the support structures.

La tecnologia LMD – Laser Metal Deposition – o deposizione diretta di metallo con l’ausilio di un fascio laser, è un processo appartenente alle tecnologie della Manifattura Additiva, o Additive Manufacturing (AM). Tale tecnologia è in gradi di realizzare parti grazie alla continua deposizione strato-su-strato di polveri metalliche su un substrato dello stesso materiale. La tecnologia LMD ha trovato per anni impiego come processo in grado di riparare parti metalliche esistenti. Recenti sviluppi tecnologici hanno consentito la produzione di componenti di grandi dimensioni, benché limitate a un certo tipo di geometrie. Vi sono ricerche su questa tecnologia concentrate sull accrescere i tipi di forme che LMD può realizzare, ove attualmente il più grosso ostacolo verso forme complesse è l’assenza di strutture di supporto. Le strutture di supporto svolgono un ruolo chiave nella produzione di geometrie complesse. Queste infatti diffondono il calore generato dal processo, migliorano la rigidità del pezzo in produzione, mentre bilanciano il peso della struttura e assicurano un preciso posizionamento del materiale su di esse. Mentre l’utilizzo di supporti è già pratica comune in altri processi AM , come ad esempio le tecnologie a letto di polvere, la tecnologia LMD non è in grado di produrli e quindi farne uso efficacemente. L'obiettivo di questa tesi è la ricerca di un modo per implementare le strutture di supporto nel processo LMD, col fine di ampliare la gamma di forme da esso realizzabili. Detto ciò, il lavoro si fonda sul principio che il processo LMD necessiti lo sviluppo di know-how in merito alla produzione di supporti e che il supporto ideale per questa tecnologia sia non solo facile da produrre ma anche semplice da rimuovere a produzione del pezzo completata. Nella tesi vengono introdotti diversi metodi di realizzazione e successiva rimozione delle strutture di supporto, di cui sono stati selezionati i più promettenti rispetto al processo LMD. Le possibili combinazioni fra materiale del substrato e materiale da depositare sono state definite e successivamente testate tramite la deposizione di acciaio inossidabile (AISI 316L) su substrati di vari materiali ceramici e leghe metalliche. Dalla fase di sperimentazione sulle combinazioni di materiali ha portato a risultati promettenti quando l’acciaio inossidabile AISI 316L viene depositato su un substrato di lega di alluminio. L’esito da mettere in evidenza è la realizzazione con successo di una forma con una grande superficie di contatto col substrato che è stata comunque facile da rimuovere per via del diverso coefficiente di dilatazione termica durante il raffreddamento dei due metalli. Il risultato di questa ricerca, una volta ottimizzati i parametri di deposizione, può portare alla luce un nuova definizione delle potenzialità produttive del processo LMD grazie alle strutture di supporto. Nel complesso l’analisi degli esiti del test mostra come il successo della deposizione dipenda da parametri delicati come la composizione della lega di alluminio del substrato e il suo spessore e ruvidità. Altri studi che amplino questa ricerca si dovrebbero concentrare sull’identificazione dei parametri di deposizione ottimali tra cui la lega specifica e lo spessore delle strutture di supporto.