Quality inspection methodology for additively manufactured lattice structures

Metal Additive Manufacturing (MAM) technologies are gaining more and more relevance in nowadays industrial context. The increasing interest is motivated by high customization and design flexibility, together with the capability to improve performance to weight properties. MAM enhances the realization of Metallic Lattice Structures, periodic objects made of the repetition of interconnected elementary units - cells - along two or three axes. These lightweight structures are adopted for their double benefit: in terms of manufacturing process, the reduction of bulk material, processing time and energy consumption. Regarding the final product, the parametrization of the cell design allows to vary its geometry and porosity. In this way, cell design can be studied to minimize the weight, without affecting the overall mechanical strength. In industrial fields, as automotive, aerospace and defence, lattice is attractive for additional properties as high energy absorption capacity and thermal conduction. In medical field, lattice orthopaedic implants improve the osseointegration process, given their permeability and mechanical compatibility with the host bone. The complexity of these cellular structures hinders non-destructive evaluation techniques and require new morphological characterization strategies. What is missing in literature is an operative tool to be used during the quality evaluation of lattice structures. This thesis work contributes to this lack in research by proving an innovative solution: the proposed methodology aims at inspecting and evaluating the quality of printed objects. The comparison with the nominal CAD model allows the creation of proper statistical descriptors, which “measure” the compliance of printed specimens to identify any distortions. Some statistical tools as functional data analysis were applied to generate a multivariate Hotelling’ T^2 control chart on the found descriptors. This procedure was implemented on two A350 aluminium lattice specimens, processed by Selective Laser Melting and the result was the successful identification of a local distortion, affecting one of the two replica.

Le tecnologie Metal Additive Manufacturing (MAM) sono oggetto di un interesse sempre crescente per applicazioni industriali, grazie all’alta personalizzazione e la flessibilità nel design del prodotto finito. Dalla possibilità di realizzare strutture complesse derivano l’ottenimento di elevate prestazioni meccaniche, al pari di una riduzione del peso. Tra queste vi è il lattice – struttura leggera e periodica ottenuta dalla ripetizione di unità elementari interconnesse, chiamate celle, lungo due o tre assi. Il lattice offre un doppio beneficio: dal lato del processo manifatturiero, la riduzione della materia prima, dei tempi di produzione e del consumo di energia. Dal lato del prodotto finito, il design della cella può essere studiato per minimizzare il peso, senza compromettere la resistenza meccanica della struttura. Settori come l’automotive, l’aerospaziale e la difesa sfruttano ulteriori proprietà del lattice, tra cui l’elevato assorbimento di energia e la conduzione termica. In campo medico, una nuova frontiera riguarda l’applicazione del lattice nella realizzazione di protesi ortopediche, la cui permeabilità e resistenza migliorano l’integrazione con il tessuto osseo circostante. La complessità di tali strutture ostacola tecniche non-distruttive di caratterizzazione morfologica e nuove strategie diventano necessarie. In letteratura vi è una mancanza di strumenti operativi applicabili durante la valutazione della qualità di strutture lattice. La soluzione innovativa presentata nel seguente elaborato consiste in una metodologia che guida l’investigazione e la valutazione della qualità dell’oggetto stampato. Dal confronto con il modello CAD vengo estratti dei descrittori statistici capaci di “misurare” la conformità del provino. Una serie di strumenti statistici, quali tecniche di analisi di dati funzionali, sono necessarie per la generazione di una carta di controllo multivariata (Hotelling’ T^2 control chart). La procedura è stata implementata su due provini lattice in alluminio (A350), stampati in Selective Laser Melting. L’identificazione di un difetto locale presente in uno dei due provini ha dimostrato l’efficacia della metodologia proposta.