Binder jetting 3D printing : study of stainless steels microstructure and mechanical characterization

Binder jetting 3D printing is an additive manufacturing technique. Unlike other powder-bed techniques, a liquid binder, as a “glue”, keeps the powder particles together, layer after layer, during the process. Small droplets are sequentially deposited onto the powder-bed surface through the print-head with a specific scanning pattern according to the CAD model loaded in the printing machine. This technique has been introduced recently and seems to be very attractive mostly for the wide range of materials that could be processed: metals or alloys including steels, Cu-based, Ni-based, Ti-based and ceramics. In this thesis work two kind of stainless steel have been printed by an Ex-One Innovent Plus 3D Printing machine: 17-4 PH (martensitic stainless steel for aerospace applications) and 316L (austenitic stainless steel). The microstructure and mechanical properties of 3D printed samples have been characterized by means of optical microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM) and micro-hardness tests, as well as tensile tests. The results obtained for binder jetting samples have been compared to lost wax investment casting ones, verify the quality and properties of 3D printed specimens. In conclusion, binder jetting technology has been shown to be a suitable additive manufacturing process to obtain metal parts for mechanical applications.

Binder jet 3D printing (BJ3DP) è una tecnica di manifattura additiva. A differenza delle altre tecniche di deposizione con letto di polvere, durante il processo di stampa viene impiegato un legante liquido, simile ad una colla, che tiene insieme le particelle di polvere strato su strato. Durante la stampa, piccole gocce di legante sono depositate sulla superficie del letto di polvere dalla testa stampante, che segue uno schema ben preciso derivante da un modello CAD caricato nel software della stampante. Questa tecnica è stata sviluppata recentemente ed è molto interessante soprattutto per la varietà di materiali che si possono stampare: metalli o leghe tra cui acciai e leghe a base di rame, nichel e titanio come pure materiali ceramici. Durante lo svolgimento della tesi, in particolare, due tipi di acciaio inossidabile sono stati formati usando una stampante 3d Ex-One Innovent Plus: 17-4PH (acciaio inossidabile martensitico utilizzato nel settore aerospaziale) e 316L (acciaio inossidabile austenitico). Dei campioni stampati sono state analizzate la microstruttura e le proprietà meccaniche tramite microscopio ottico, microscopio SEM, analisi di micro-durezza e prove di trazione. È stato fatto un confronto tra i risultati ottenuti dai campioni stampati con BJ3DP e da quelli sezionati da una microfusione, per verificare le proprietà e la qualità delle stampe con BJ3DP. In conclusione è stato dimostrato che la tecnologia del BJ3DP è un processo di manifattura additiva adatto per stampare componenti metallici per applicazioni industriali.