Selective laser melting of lattice structure in AlSi10Mg : process optimization and material characterization

Additive manufacturing offers unique possibilities of producing complex 3D parts, thanks to the layer by layer building strategy. Lattice or trabecular structures represent the typical geometrical complexity offered by powder bed additive manufacturing processes. Nowadays, lattice structures in Ti64 alloy have been intensively studied in literature, because of their use for biomedical applications. On the contrary, no deep investigations are available on other materials. Due to the high diffusion of aluminium based alloys in different industrial sectors, the goal of the present work is to investigate the process-ability of lattice structures in AlSi10Mg alloy, produced by Selective Laser Melting, and to evaluate their microstructure and mechanical response. In the first part of the work process optimization is carried out for obtaining the highest density parts in lattice configuration; as term of comparison, the evolution of the relative density for bulk parts is also considered. In the second part of the work the evolution of the microstructure and mechanical properties of lattice structures, subjected to different heat treatments, is investigated. A calorimetric analysis was carried out for better understanding of precipitation and diffusion phenomena of AlSi10Mg alloy produced by rapid solidification, indicating microstructural modifications. Moreover, the influence of heat treatments on compression tests is relevant particularly in the aspect of energy absorption, being a factor that makes this type of structure very suitable. Additionally, in the last part of the thesis work some energetic considerations were done on the effect of the chemical composition of the aluminium alloys (AlSi10Mg, AlSi9Cu3 and AM205 alloy) in the prospective of the optimization of the process parameters aimed to achieving the maximum relative density.

La produzione additiva offre possibilità uniche di produrre parti 3D complesse, grazie alla strategia di costruzione strato per strato. Le strutture reticolari o trabecolari rappresentano la tipica complessità geometrica offerta dai processi di produzione additiva a letto di polvere. Al giorno d'oggi, le strutture reticolari in lega di Ti64 sono state studiate intensamente in letteratura, per via del loro uso in applicazioni biomediche. Al contrario, non sono disponibili ricerche approfondite su altri materiali. Vista l'elevata diffusione di leghe a base di alluminio in diversi settori industriali, l'obiettivo del presente lavoro è studiare la capacità di processo di strutture reticolari realizzate in lega AlSi10Mg, prodotte da Selective Laser Melting, e valutarne la microstruttura e la risposta meccanica. Nella prima parte del lavoro è stata eseguita un’ottimizzazione del processo per ottenere le parti a massima densità nella configurazione reticolare; come termine di confronto, viene anche considerata l'evoluzione della densità relativa per le parti piene. Nella seconda parte del lavoro è stata studiata l'evoluzione della microstruttura e delle proprietà meccaniche delle strutture reticolari, sottoposte a diversi trattamenti termici. È stata effettuata un'analisi calorimetrica per una migliore comprensione dei fenomeni di precipitazione e diffusione della lega AlSi10Mg prodotta dalla rapida solidificazione, indicando modifiche microstrutturali. Inoltre, l'influenza dei trattamenti termici sui test di compressione è rilevante soprattutto nell'aspetto dell'assorbimento di energia, fattore che rende molto sfruttabile questo tipo di struttura. Infine, nell'ultima parte del lavoro di tesi sono state fatte alcune considerazioni energetiche sull'effetto della composizione chimica delle leghe di alluminio (AlSi10Mg, AlSi9Cu3 e lega AM205) nella prospettiva dell'ottimizzazione dei parametri di processo finalizzata al raggiungimento della massima densità relativa.