Binder jetting 3D printing of 316L stainless steel : effect of printing, debinding and sintering parameters on dimensional accuracy and mechanical properties

Binder Jet 3D printing is a powder bed based additive manufacturing technique that uses a polymeric binder: during the process the print-head pours small droplets of binder over the powder layer, defining the component geometry designed with a CAD software. After each deposited layer, the printing build box lowers, a new powder layer is deposited and the same procedure is repeated. The printed part (“green” part) is characterized by low density and it has to be subjected to two different thermal treatments: the first treatment is aimed to the elimination of the polymeric binder (debinding), the second one is a sintering treatment aimed to microstructure densification and to achieve mechanical properties comparable to the traditional manufacturing ones. During this thesis work the first Binder Jetting 3D printer in Italy has been used: the “Innovent Plus 3D printer” produced by Ex-One company and hosted by the “Funtasma” interdepartmental laboratory in the Mechanical Department of Politecnico di Milano. The effects of the main printing, debinding and sintering parameters have been studied on the 316L stainless steel. In particular, layer thickness, printing saturation and printing direction have been analyzed to understand how the geometrical accuracy and the mechanical properties of the green parts are affected. After that, the effect of debinding temperatures and atmospheres (Air and Argon) as well as the one of sintering (Vacuum and Argon) have been analyzed in order to understand their influence on the microstructure and mechanical properties of the final product. In details, granulometric and XRD analysis have been performed on the powder. Geometrical accuracies, densities and three points flexural test have been performed on the “green” part. Thermogravimetric analysis have been performed on the polymeric binder, furthermore, residual Carbon analysis have been performed on the debinded samples (“brown” part). At the end, microstructural and XRD analysis, density and shrinkage evaluations have been performed on the sintered components as well as micro-hardness and tensile test. This work has demonstrated that, both low saturation levels and layer thickness are necessary to obtain a good geometrical accuracy, while, for ensure better green strength, high saturation level is required. As regards heat treatments, oxide formation inside the porosities may be favored in oxidant atmospheres during debinding treatment. Vacuum sintering has allowed to reach the highest final density.

Binder Jet 3D printing è una tecnica di manifattura additiva a letto di polvere che prevede l’utilizzo di un legante polimerico per le polveri: durante il processo una testina stampante deposita piccole gocce di binder liquido su uno strato di polvere determinando la geometria del componente progettato con un software CAD. Dopo la deposizione di ciascun livello, la piattaforma di costruzione di abbassa, uno nuovo strato di polvere viene depositato e il procedimento si ripete. Appena stampata, la parte realizzata è caratterizzata da bassa densità e deve essere sottoposta a due differenti processi termici: un trattamento di debinding, mirato all’eliminazione del collante polimerico e ad un trattamento di sinterizzazione, mirato sia alla densificazione della microstruttura sia al conseguimento delle proprietà meccaniche portandole a valori paragonabili a quelli di una parte realizzata tramite tecniche tradizionali. Durante questo lavoro di tesi si è utilizzata la prima stampante binder Jet oggi presente in Italia: la “Innovent Plus” prodotta dalla compagnia Ex-One ed ospitata nel laboratorio interdipartimentale “Funtasma” presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. Con essa è stato possibile studiare gli effetti dei principali parametri di stampa, di debinding e di sinterizzazione sull’acciaio inossidabile 316L. In particolare, è stato analizzato come lo spessore del layer, il livello di binder depositato (saturazione) e la direzione di stampa, abbiano influito sulle caratteristiche dimensionali e meccaniche del prodotto stampato (“green”). Il lavoro di tesi si è poi concentrato sulla valutazione dell’effetto di parametri come la temperatura e l’atmosfera di debinding (aria e Argon) e di sinterizzazione (Argon e vuoto) sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche del prodotto finale. Nel dettaglio sono state svolte analisi granulometriche e XRD sulle polveri. Misure di densità, di tolleranze dimensionali e di resistenza a flessione sono state effettuate sulla parte “green”. Analisi termo-gravimetriche sono state condotte sul legante (“binder”), mentre analisi sul Carbonio residuo sono state svolte sui campioni debindati (“brown”). Su i provini sinterizzati sono state svolte analisi con microscopio ottico ed elettronico (analisi microstrutturali), analisi diffrattometriche a raggi-X (XRD), calcolo delle densità, dei ritiri geometrici ed infine sono stati svolti test di micro-durezza e prove di trazione. Questi esperimenti hanno dimostrato che per l’ottenimento di una buona accuratezza dimensionale sono necessari sia bassi valori di saturazione sia di spessore del layer di stampa. Mentre per garantire la più alta resistenza meccanica del green sono necessari valori di saturazione elevati. Per quanto riguarda i trattamenti termici, è stato osservato come l’utilizzo di atmosfere ossidanti durante il debinding possa favorire la formazione di ossidi all’interno delle porosità. Infine, le migliori densità finali sono garantite da un trattamento di sinterizzazione in vuoto.