Selective laser melting of alumina : process capability and monitoring

Alumina ceramic has been classified as one of the difficult-to-manufacture materials, the traditional manufacturing methods lead to high costs and high energy consumption. The research on the SLM process for alumina aims to overcome the drawbacks of traditional manufacturing methods. The present work studies the influence of two different laser sources on two variants of alumina powder Al2O3, focusing on demonstrating the capability of the SLM process and on its process monitoring. The first aim is reached through compression tests and micro-indentations tests on parts produced with a relative density above 92%. The compression tests result in a mean compressive strength of 219 MPa. The micro-indentation tests as a first result state the unfeasibility of the estimation of the KIc through the Indentation Fracture (IF) technique. Moreover, the micro-hardness can be evaluated but a wide experimental campaign is necessary to obtain statistically reliable data. The process monitoring is carried out by coupling the evaluation of the absorption of the two powders for a laser with a wavelength of 1070 nm, with high-speed camera acquisition. The study concludes that the MnO2 doped alumina powder delivers a process with a more stable melt pool behavior with the considered laser source. The obtained results can form the basis for material characterization and for a deeper study on the powder absorption-melt pool evolution relationship, which can be used as a starting point for process simulation.

L'allumina è stata classificata tra i materiali più difficili da lavorare, i metodi tradizionali richiedono costi e consumi di energia elevati. L’attuale ricerca sulla produzione di allumina tramite Selective Laser Melting (SLM) ha come scopo quello di superare questi limiti. Il lavoro di tesi proposto studia l’influenza di due sorgenti laser su due varianti di polveri di allumina, concentrandosi su due aspetti. Dimostrare le reali potenzialità del processo e monitorare il processo stesso. Il primo scopo è raggiunto tramite dei test a compressione e delle micro-indentazioni, entrambi eseguiti su provini con una densità relativa superiore al 92%. I test a compressione indicano una resistenza a compressione media di 219 MPa. Le micro-indentazioni hanno stabilito la non fattibilità della tecnica di Indentation Fracture (IF) per la stima del fattore di intensificazione degli sforzi (KIc) per il materiale considerato prodotto tramite SLM. Invece, la micro-durezza può essere valutata tramite un’estesa campagna sperimentale. Il monitoraggio del processo è stato condotto tramite la combinazione di acquisizioni che catturano lo sviluppo del processo ad alta velocità con alcuni test sul coefficiente di assorbimento delle polveri di allumina per la sorgente laser con lunghezza d’onda 1070 nm. La ricerca ha stabilito che la polvere dopata con ossido di manganese (MnO2) permette di avere un processo più stabile. I risultati ottenuti possono fare da base per una caratterizzazione del materiale e per uno studio più accurato sulle relazioni che legano il coefficiente di assorbimento all’andamento della melt pool nel tempo.