Orthogonal cutting force modeling of metallic feedstock

Nowadays, additive manufacturing (AM) and micro-machining of green state materials are becoming more and more interesting processes, in constant growing in the field of rapid prototyping and low scale production. In fact, despite some issues related to high costs for the production of metal components, the increasing commercial and industrial interest encourages to improve AM techniques and to test new materials. In this context, the main goal is to improve the milling process of a hybrid machine capable to combine additive and subtractive processes, able to depose a feedstock made up of metallic or ceramic particles combined with a polymeric binder, inspired to the classic FDM technique but also experienced to print hard materials without affecting them with thermal distortions, reducing also the costs. The aim of this work is to carry out a study focused on the cutting process and on the modeling of the cutting forces related to the orthogonal cutting of metallic green parts. In fact, only little research has been conducted on the micro-orthogonal cutting process of these types of feedstocks. However, for sure it will be possible to benefit from its understanding. First of all, a known model of the tool-workpiece interaction could lead to the prediction of the tool behaviour and, as a result, of a better design and manufacturing of optimal tool geometries as well as specific fixturing systems related to the components under exam; furthermore, a better prediction of the cutting process final output could help the end users to design the machining operations especially related to tiny features or thin walls and, more in general, to improve the entire process chain.

I processi di produzione additivi e le micro-lavorazioni di materiali allo stato verde stanno diventando oggi tecnologie molto importanti, in costante crescita nel campo della prototipazione rapida e della produzione di piccoli lotti. Infatti, nonostante alcuni problemi legati agli alti costi per la produzione di parti metalliche, il crescente interesse commerciale e industriale incoraggia a migliorare le tecniche additive ed a testare nuovi materiali. In questo contesto l’obiettivo è quello di migliorare il processo di fresatura di una macchina ibrida in grado di combinare processi additivi e di asportazione di materiale, in grado di deporre un feedstock caratterizzato da particelle metalliche o ceramiche combinate con un legante polimerico, ispirato alla classica tecnica FDM ma anche in grado di stampare materiali duri senza influenzarli con distorsioni termiche di alcun tipo, riducendo in questo modo anche i costi di lavorazione. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare uno studio incentrato sulla comprensione del processo di taglio e sulla modellazione delle forze relative al processo di taglio ortogonale di parti metalliche allo stato verde. Pochi studi, infatti, sono oggi disponibili sul processo di micro-taglio ortogonale di questi tipi di materiali. Tuttavia, sicuramente, dalla sua comprensione si potrebbero ottenere molteplici vantaggi. Innanzitutto un modello dell'interazione tra utensile e pezzo potrebbe portare alla previsione del comportamento dell’utensile stesso e, di conseguenza, a una migliore progettazione e produzione di geometrie utensili ottimali oltre che di specifici sistemi di incollaggio dei pezzi in esame; inoltre una migliore previsione del risultato finale del processo di taglio potrebbe supportare gli utenti nel progettare le operazioni di lavorazione in particolare inerenti features o pareti molto sottili e, più in generale, a migliorare l'intera catena del processo produttivo.