Optimization of parameters to create a porous metal structure

The following review covers the emerging research on Additive Manufacturing (AM) of metallic materials and provides a comprehensive overview of the physical processes and the underlying science of metallurgical structure and properties of the deposited parts, focusing on the creation of porous structures through the 3D printing. This thesis work is focused on the achieving of a micro-porous metal structure by optimizing the process parameters during the 3d printing. This method can be considered as a “controlled error” in the printings and it has to satisfy our requests of porosity: repeatability and geometric order in order to be extended from the experimental studies to the practical applications. The main goal is to obtain the porosity by setting the optimal printing parameters, without creating it geometrically: in this way we’ll have a lighter file outgoing, especially for complex geometries and big components, we reduce the errors caused by the geometrical approximations during the conversion from the CAD file to the .stl file and the method is also way faster. After the printings, the samples are analyzed through a Scanning Electron Microscopy to check the macrostructure, the weld bead quality and size and the dimension of the pores. After a first analysis about the difference in porosity in all the directions, we made metallographic analysis by cutting the pieces in order to study the inner porosity in the XY plane and in the XZ plane (being Z the build direction and X-Y the plane of the building platform). The samples were then mirror polished in order to reveal the inner structure once we analyze it with the optical microscope. After these steps we are able to draw some conclusions about the different porosities and the structure that has the optimal parameters for our application. After having chosen the samples with the porous structure that best fit our requests, the samples have been subjected to the compression tests in the three directions in order to check the mechanical properties of the 3D lattices. The applications for which this structure was studied are mainly moulds for expanded polymers which need to possess a permeable wall in order to allow a flow of steam to be delivered from a rear chamber into the volume of the part to be moulded, thus promoting the sintering of the polymer feedstock. With a porosity of the order of magnitude of few hundreds of micrometers, the steam will flow through the mould wall but the polymer will not be able to fill the porosity thus achieving a good final surface finish of the formed part. The porosity will additionally allow the passage of the cold air flow in order to cool the piece down to room temperature faster, saving time and energy. Other applications could also be concerned with the production of filters for a wide range of applications and porous devices in the biomedical field, where osseo-intergration can be promoted by a controlled porosity of prostheses.

La seguente revisione copre una ricerca sull’additive manufacturing (AM) di materiali metallici e fornisce una descrizione dei processi fisici soffermandosi sullo studio delle strutture e delle proprietà dei materiali depositati con uno studio approfondito sulla creazione di strutture porose attraverso la stampa 3D. Questa tesi è incentrata nel raggiungimento della creazione di un metallo con una micro-porosità, tramite l’ottimizzazione dei parametri del processo di stampa 3D. Questo metodo consiste nel controllo di un “errore di stampa” a deve soddisfare le nostre richieste di porosità: ripetibilità e ordine geometrico in modo da essere esteso dagli studi sperimentali alle applicazioni pratiche. L’obiettivo è l’ottenimento della porosità tramite l’impostazione ottimale dei parametri di stampa, senza crearla geometricamente: in questo modo noi otterremo un file più leggero in uscita, specialmente per strutture con geometrie più complesse e per grossi componenti, riduciamo gli errori causati dalle approssimazioni geometriche durante la conversione dal file CAD al file .stl ed inoltre il metodo è più veloce. Dopo una prima analisi incentrata sulle differenze nella porosità in tutte le direzioni, procediamo con l’analisi metallografica tagliando i pezzi in modo da studiare la porosità interna nel piano XY e nel piano XZ (essendo Z la direzione di costruzione e X-Y il piano del piatto di stampa). I provini vengono successivamente lucidati a specchio in modo da far risaltare la struttura interna una volta effettuata l’analisi con il microscopio ottico. Dopo questi steps, siamo capaci di trarre alcune conclusioni sulle differenti porosità e possiamo decidere qual è la struttura che più soddisfa i nostri requisiti in base alle nostre applicazioni. Dopo aver scelto le strutture con la porosità che soddisfa meglio le nostre richieste, I provini sono sottoposti ai tests di compressione nelle tre direzioni in modo da verificare le proprietà meccaniche dei “lattices” interni. L’applicazione per il quale questa struttura è stata studiata è principalmente lo stampo per componenti polimerici espansi che hanno bisogno di avere una parete permeabile in modo da consentire un flusso di vapore che è erogato da una camera posteriore all’interno del volume del componente da stampare, promuovendo quindi la sinterizzazione del componente polimerico. Con una porosità dell’ordine di qualche centinaio di µm, il vapore passerà attraverso la parete dello stampo mentre il polimero non sarà capace di riempire la porosità ottenendo quindi una buona finitura superficiale del componente creato. La porosità consentirà inoltre anche il passaggio di aria fredda in modo da poter raffreddare il pezzo fino a temperatura ambiente più velocemente e quindi ci sarà un risparmio in termini di tempo ed energia. Altre applicazioni possono riguardare la produzione di filtri e divices porosi con un ampio range di utilizzi inerenti il campo dell’ingegneria biomedica, dove l’interazione con le ossa può essere favorita da una porosità controllata dalle protesi.