Nowadays, Additive Manufacturing (AM) is considered a pillar of the fourth industrial revolution thanks to its ability to produce complex-shape parts, on demand, without waste of material. The possibility to create highly optimised and light-weight components with no moulds, dies or cutting tools is a fundamental characteristic of this manufacturing process, able to minimise the time-to-market and enhance the production flexibility. Several AM techniques have been developed during the recent years; this thesis work is focused on Selective Laser Melting (SLM), a Powder Bed Fusion (PBF) process based on the layer-by-layer production of metallic materials. Due to cracking phenomena occurring during the manufacturing process, the number of materials suitable for this type of production is still limited. In particular, the lack of processable high-strength aluminium alloys, widely used in the aerospace and automotive industry, is a big limitation for the growth of the SLM market. The aim of the present project is the development of a novel high-strength aluminium alloy for high-temperature applications, processable by Selective Laser Melting. The need to sustain critical thermal loads triggered the choice to the 2618 aluminium alloy. In order to make the material suitable for SLM, an ad-hoc chemical composition has been developed. In particular, the addition of titanium and boron results necessary to promote a microstructural modification that increases the material processability, leading to crack-free components. The novel aluminium alloy has been mechanically, thermally and metallurgically characterised; furthermore, heat treatments optimisation has been carried out, highlighting the difference between conventionally-produced and SLMed materials. Finally, the capacity of the novel alloy to sustain high thermal loads for prolonged times has been tested, highlighting the feasibility of the material to high-temperature applications. The production of samples, density analyses and tensile tests have been conducted in Beam-It SpA laboratories, while thermal treatments and material characterisation have been carried out at the Politecnico di Milano laboratories, Department of Mechanical Engineering.
La Manifattura Additiva (AM) è considerata un pilastro della quarta rivoluzione industriale grazie alla sua abilità di produrre componenti di forma complessa, minimizzando gli scarti di produzione. La possibilità di creare strutture leggere e strutturalmente ottimizzate, senza l’utilizzo di stampi o utensili, è una caratteristica peculiare di questo processo manufatturiero, garantendo la riduzione del tempo di prototipazione e l’aumento della flessibilità produttiva. Varie tecniche AM sono state sviluppate durante gli ultimi anni. Questo lavoro di tesi si focalizza sul Selective Laser Melting (SLM), un processo basato sulla fusione selettiva tramite laser di un letto di polvere metallica. A causa delle cricche di solidificazione che si verificano durante la produzione dei componenti, il numero di materiali compatibili con questo processo è ancora limitato. In particolare, la mancanza di leghe di alluminio alto resistenziali, largamente usate nell’industria automobilistica e aerospaziale, è considerata una forte limitazione per la crescita del mercato relativo alle tecnologie additive. L’obiettivo di questo progetto di tesi è lo sviluppo di una nuova lega di alluminio alto resistenziale, processabile tramite SLM e dedicata ad applicazioni ad elevata temperatura. Vista la necessità di sostenere elevati carichi termici, la lega 2618 è stata scelta come riferimento. Successivamente, la composizione chimica è stata modificata in modo da rendere il materiale processabile tramite tecnologia additiva. In particolare, l’aggiunta di titanio e boro è stata effettuata in modo da promuovere una variazione microstrutturale capace di sopprimere la formazione di cricche di solidificazione durante la fusione del materiale. La nuova lega di alluminio è stata caratterizzata meccanicamente e metallurgicamente. Inoltre, l’ottimizzazione dei trattamenti termici è stata sviluppata, sottolineando le differenze tra un materiale prodotto convenzionalmente e tramite tecnologia AM. Infine, è stata eseguita una valutazione circa la capacità della lega di sostenere elevati carichi termici, in modo da valutarne l’applicabilità alle elevate temperature. La produzione dei campioni, l’analisi di densità e le prove meccaniche sono state effettuate nei laboratori di Beam-It SpA, mentre i trattamenti termici e la caratterizzazione del materiale sono stati eseguiti al Politecnico di Milano, presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica.
Design and development of a novel high-temperature resistance aluminium alloy for selective laser melting
BELELLI, FILIPPO
2017/2018
Abstract
Nowadays, Additive Manufacturing (AM) is considered a pillar of the fourth industrial revolution thanks to its ability to produce complex-shape parts, on demand, without waste of material. The possibility to create highly optimised and light-weight components with no moulds, dies or cutting tools is a fundamental characteristic of this manufacturing process, able to minimise the time-to-market and enhance the production flexibility. Several AM techniques have been developed during the recent years; this thesis work is focused on Selective Laser Melting (SLM), a Powder Bed Fusion (PBF) process based on the layer-by-layer production of metallic materials. Due to cracking phenomena occurring during the manufacturing process, the number of materials suitable for this type of production is still limited. In particular, the lack of processable high-strength aluminium alloys, widely used in the aerospace and automotive industry, is a big limitation for the growth of the SLM market. The aim of the present project is the development of a novel high-strength aluminium alloy for high-temperature applications, processable by Selective Laser Melting. The need to sustain critical thermal loads triggered the choice to the 2618 aluminium alloy. In order to make the material suitable for SLM, an ad-hoc chemical composition has been developed. In particular, the addition of titanium and boron results necessary to promote a microstructural modification that increases the material processability, leading to crack-free components. The novel aluminium alloy has been mechanically, thermally and metallurgically characterised; furthermore, heat treatments optimisation has been carried out, highlighting the difference between conventionally-produced and SLMed materials. Finally, the capacity of the novel alloy to sustain high thermal loads for prolonged times has been tested, highlighting the feasibility of the material to high-temperature applications. The production of samples, density analyses and tensile tests have been conducted in Beam-It SpA laboratories, while thermal treatments and material characterisation have been carried out at the Politecnico di Milano laboratories, Department of Mechanical Engineering.| File | Dimensione | Formato | |
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