Deformation mechanism of horizontal channels for internal cooling during the SLM of 18Ni300 maraging steel

In the recent years a great amount of works was carried out on the development of the additive manufacturing processes and in particular of Selective Laser Melting. The great development of this process got to the point of making possible the production of complex components. The application of this technology to tool steels permits to produce moulds and dies with superior performances thanks to the design of conformal cooling channels unfeasible with the traditional technologies. This kind of features introduce several problems during and after the process because of the thermal deformation induced by the process itself. During the process the deformation of such elements causes typically the formation of protruding parts which can impact directly on the coating system damaging it. Maraging steel is a class of tool steels produced with SLM, characterised by a soft martensitic matrix hardened by an ageing treatment; it was proved in previous studies that the phase transformation happening in this material during the cooling has a great influence on the stress distribution. Knowing the application of this material in die-casting and the advantages given by SLM, the focus of this work is on the analysis of the deformations generated during the build of internal cooling channels in order to assess the criticalities of such features and the peculiarities introduced by the material. This work was carried out on a novel SLM system provided by Trumpf s.r.l. consequently the first part of the work was dedicated to the design of the process parameters suitable for the SLM of 18Ni300 Maraging steel components having mechanical properties comparable with the wrought material in the as-build and in the heat treated conditions. Then, some samples were printed simulating the build of the internal cooling channels oriented parallel to the build platform, which is the most critical condition, studying the deformations occurring during the process using a powder bed monitoring system and the overall deformation comparing the measured profile with the nominal one. From these results a phenomenological model of the deformation mechanism according to which the distortions happen during the SLM of internal cooling channels in 18Ni300 Maraging steel was formulated. This model takes into account the thermal deformations induced by the process, the peculiarities of the material and the conditions generated by the geometry being printed. Finally, an analytical model for the prediction of the deformation of the overhanging parts was adapted and utilized to estimate the equivalent stresses acting on the parts that generated the final profile. This work wants to give a description of the mechanism of deformation of the internal channels build with SLM of 18Ni300 Maraging steel, giving consequently an indication of the criticalities introduced by such features.

Negli ultimi anni molti lavori sono stati svolti sullo sviluppo dei processi additivi e in particolare sul Selective Laser Melting. Il grande sviluppo di questo processo è arrivato al punto di permettere la produzione di componenti complessi. L’applicazione di questa tecnologia agli acciai per stampi permette la produzione di stampi con performance migliorate grazie alla progettazione di canali di raffreddamento interno conformali che non sarebbero fattibili con i processi tradizionali. Questo tipo di strutture introducono vari problemi durante e alla fine del processo a causa delle deformazioni termiche indotte dal processo stesso. Durante il processo la deformazione di questi componenti causa solitamente la formazione di parti sporgenti che possono impattare direttamente sul sistema di stesura della polvere danneggiandolo. Gli acciai Maraging sono una classe di acciai per stampi prodotta con SLM caratterizzata da una matrice martensitica duttile indurita attraverso un trattamento di Ageing; è stato provato in studi precedenti che la trasformazione di fase che avviene in questo materiale durante il raffreddamento a una grande influenza sulla distribuzione delle tensioni residue. Considerando la tipica applicazione di questo materiale nella produzione di stampi per pressofusione e i grandi vantaggi dati dal SLM, questo lavoro è incentrato sull’analisi delle deformazioni generate durante la produzione dei canali interni così da poter stabilire le criticità di tali strutture e le peculiarità dovute al materiale. Quest lavoro è stato svolto su un nuovo sistema SLM fornito da Trumpf s.r.l., di conseguenza la prima parte di questo lavoro è stata dedicate allo studio dei parametri di processo per produrre componenti in acciaio Maraging 18Ni300 via SLM con proprietà meccaniche paragonabili a quelle del materiale prodotto con altri processi sia nella condizione stampata che in quella trattata termicamente. Quindi, dei campioni sono stati stampati per simulare la produzione di canali di raffreddamento interno orientati parallelamente al piano di stampa, che rappresenta la condizione più critica, così da studiare le deformazioni che avvengono durante il processo per mezzo di un sistema di monitoraggio del letto di polvere e le deformazioni complessive paragonando il profilo ottenuto con quello nominale. Da questi risultati è stato possibile formulare un modello fenomenologico del meccanismo con cui avvengono le deformazioni durante la stampa tramite SLM di canali interni in acciaio Maraging 18Ni300. Questo modello tiene conto delle deformazioni termiche indotte dal processo, delle particolarità del materiale e delle condizioni generate dalle geometrie stampate. Infine, un modello analitico per prevedere le deformazioni delle strutture di questo tipo è stato riadattato e utilizzato per stimare le tensioni equivalenti che agiscono sulle parti e che ne hanno generato il profilo finale misurato alla fine del processo. Questo lavoro vuole dare una descrizione del meccanismo con cui avviene la deformazione dei canali interni prodotti con SLM di acciaio Maraging 18Ni300, dando di conseguenza una indicazione sulle criticità introdotte da tali strutture.