Micromilling for enabling accurate features in hybrid extrusion-based additive manufacturing of feedstock

It is well known that in Additive Manufacturing, high quality in the produced part in terms of surface roughness, edge sharpness and geometrical accuracy is nowadays an unsolved issue, so that long and costly post operations are often required. In a binder-based process, this common trend is even emphasized by the presence of debinding phases that generate internal and external porosities that not always are fully recovered during sintering. The powder loading strongly affects the feedstock extrudability and sinterability of the raw material, but even more, it impacts on the final properties of the component. On Additive Manufacturing metallic feedstock extrusion, the adoption of intermediate micromachining steps after the 3D part deposition allows the implementation of the so-called hybrid production, that provides the capability to efficiently obtain tiny and accurate features on almost every material, with remarkable overall qualities. This work first tries to formalize the benefits due to the introduction of machining operations on a commercial Material Extrusion equipment, out of process chain, in the realization of thin walls. Then, the effect of particle loading on the micromachinability of additive manufactured feedstock was also investigated. Feedstock was first produced in house with different particle loadings and it was processed by a prototype 3D printer to produce the parts to micromill. Micromilling of multiple slots were conducted to investigate how the powder loading interacts with the cutting parameters to generate the cutting forces and the geometrical/dimensional quality of the parts.

E’ ben noto a tutti come la produzione di pezzi di alta qualità attraverso tecnologie additive sia tuttora un problema irrisolto, tanto che spesso sono necessarie lunghe e costose post-operazioni. Nei processi basati sull’utilizzo di un legante polimerico mischiato a polvere metallica come materia prima, questa tendenza generale è persino accentuata dalle fasi in cui si effettua la rimozione della parte plastica, che generano porosità interne ed esterne tali da non venire sempre totalmente occluse durante la sinterizzazione. Il carico di polvere metallica influenza enormemente l’estrudibilità e la sinterizzabilità del materiale, ma ancor di più le proprietà del prodotto al termine del processo. Nell’estrusione additiva di questi tipi di materiali, l’utilizzo di lavorazioni intermedie di microfresatura dopo la stampa 3D di un pezzo consente l’implementazione di una produzione, che viene poi chiamata ibrida, che permette la realizzazione di piccoli particolari molto accurati con qualsiasi tipo di materiale. Questo lavoro di tesi, inizialmente punta a formalizzare gli effetti benefici derivanti dall’introduzione delle lavorazioni di fresatura all’interno del processo additivo. Per fare ciò, componenti caratterizzati da pareti sottili sono stati deposti da una macchina commerciale basata sull’estrusione additiva di metallo, e successivamente ottenuti da lavorazione per asportazione di truciolo, al di fuori della catena di processo, dopo essere stati deposti dallo stesso sistema additivo; i risultati alla fine sono stati comparati. Successivamente è stato analizzato l’effetto della percentuale di carico metallico sulla microfresatura su materiale a matrice polimerica. La materia prima, caratterizzata da diverse composizioni, è stata prodotta internamente e poi è stata utilizzata attraverso un prototipo additivo per ottenere le parti che successivamente sarebbero state fresate. L’analisi delle relazioni tra carico metallico e diversi output, come le forze di taglio e i parametri qualitativi legati alla geometria delle parti, è stata condotta tramite la realizzazione di microcave su parti precedentemente estruse.