Surface finishing of 316L stainless steel and Scalmalloy direct energy deposited parts for aerospace and aeronautical applications

This study was performed at CRM Group research facilities located in Liège, Belgium. CRM Group is a Belgian company, working mainly with metallic materials, specialized in R&D and technology solutions, usually in collaboration with industrial partners. The aim of the work was to test different solutions to improve surface finish on samples produced by Direct Energy Deposition (DED). It is a necessary step to optimize Additive Manufacturing, since produced parts usually have a much unpolished, rough surface. This surface texture originates from staircase effect (which is caused by the layer-by-layer construction) and partially molten powder particles stuck on the surface. Two different materials were tested, 316L Stainless Steel and Scalmalloy, an innovative and recently introduced aluminium alloy containing scandium. We performed several surface treatments on both materials: Laser Polishing on both 316L and Scalmalloy, Electropolishing on 316L and Tribofinishing on 316L and Scalmalloy. The first stage of the work consisted in producing, preparing and characterising the necessary samples for all surface treatments. We did this last point by weighting samples and measuring their roughness with a roughness tester, with the development of statistical and measuring protocols to provide measures as reliable as possible. The second stage consisted in performing the treatments on the two materials. To obtain reproducible results, we developed experimental procedures and protocols, to control strictly the experimental conditions. To achieve the best surface texture results, we iterated the experiments multiple times for each material and each surface treatment, to optimise process parameters. In the third stage we characterised the most promising samples from second stage, with: - SEM imaging; - Hardness measures; - Optical microscopy; - Roughness measurements. In the conclusions we try to assess which surface treatment (or combination of them) could be the best for each material, both functionally and economically. Moreover, we give a perspective for future developments, regarding the design of surface finishing processes and the applications which they might revolutionize.

Questo studio è stato fatto presso le strutture di ricerca di CRM Group locate a Liegi, in Belgio. CRM Group è una società belga che lavora prevalentemente nel campo dei materiali metallici, specializzata in R&D e soluzioni tecnologiche, in collaborazione con partner industriali. Lo scopo del lavoro di tesi è stato testare differenti soluzioni, al fine di migliorare la finitura superficiale di campioni prodotti per Direct Energy Deposition (DED). Questo è un passaggio necessario nell’ottimizzazione della Manifattura Additiva, dato che le parti prodotte hanno, di solito, una superficie molto irregolare e rugosa. Questa struttura superficiale ha origine dall’effetto “a scalinata” (lasciato dalla costruzione strato per strato) e da particelle di polvere metallica parzialmente fusa e adesa alla superficie. Sono stati testati due materiali differenti, l’acciaio inossidabile 316L e lo Scalmalloy, una lega di alluminio innovativa introdotta di recente, contenente scandio. Abbiamo eseguito diversi trattamenti superficiali su entrambi i materiali: Lucidatura laser su 316L e Scalmalloy, Elettrolucidatura sul 316L e Vibrofinitura su 316L e Scalmalloy. La prima fase del lavoro consisteva nella produzione, preparazione e caratterizzazione dei campioni necessari per tutti i trattamenti superficiali. Abbiamo eseguito quest’ultimo punto pesando i campioni e quantificandone la rugosità con un rugosimetro, sviluppando inoltre protocolli statistici e di misurazione per produrre misure il più affidabili possibile. La seconda fase consisteva nell’eseguire i trattamenti sui due materiali. Per ottenere risultati riproducibili, abbiamo sviluppato protocolli e procedure sperimentali, per controllare in maniera rigorosa le condizioni degli esperimenti. Per raggiungere i migliori risultati di finitura superficiale, abbiamo iterato più volte gli esperimenti per ogni materiale e trattamento, al fine di ottimizzare i parametri di processo. Nella terza fase abbiamo caratterizzato i campioni più promettenti provenienti dalla seconda fase, utilizzando: - Microscopia SEM - Misure di durezza - Microscopia ottica - Misure di rugosità Nelle conclusioni abbiamo cercato di stabilire quale potesse essere il miglior trattamento superficiale (o combinazione) per ogni materiale, sia dal punto di vista funzionale che economico. Inoltre, abbiamo proposto alcune prospettive per sviluppi futuri, a proposito dei nuovi modi di progettare processi di finitura e le applicazioni che potrebbero rivoluzionare.