Bound metal deposition printability of steel gyroids

Nature-derived cellular materials have always inspired scientist and engineers thanks to their lightweight structure, their energy absorption capabilities and their exceptional stiffness-to-weight ratio. The development of Additive Manufacturing (AM) enables the production of complex and geometrically controlled lattice structures impossible to be manufactured via conventional methods. In the last decades particular interest has risen around the lattice structures based on Triply Periodic Minimal Surface (TPMS). Thanks to their mathematically controlled geometry and exhibited mechanical and physical properties they have the potential to be employed not only as infill structure, but also as innovative geometries for heat exchangers and chemical reactors. For the first time, with respect to the available literature, TPMS-based lattice structures have been fabricated in 17-4 PH via Bound Metal Deposition (BMD), a binder-based extrusion AM process developed by Desktop Metal. Starting from an indepth geometrical analysis and the process’s constraints and limitation, a feasible solution is proposed for a successful manufacturing of a gyroid unit cell. A broad range of gyroid unit cell with different unitary cell sizes and relative densities have been printed, debinded and sintered validating the geometrical modification. This work proposes to be the starting point for a successful manufacturing of TPMS-based lattice structures via Bound Metal Deposition.

I materiali a struttura cellulare derivati dall’osservazione della natura hanno sempre ispirato scienziati e ingegneri per la loro leggerezza, la capacità di assorbire energia e l’eccezionale rapporto peso-rigidezza. Lo sviluppo dell’Additive Manufacturing (AM) ha aperto la possibilità di produrre strutture reticolari complesse e geometricamente definite impossibili da produrre tramite le tecnologie di produzione convenzionali. Negli ultimi decenni particolare interesse è cresciuto intorno alle strutture reticolari basate su Triply Periodic Minimal Surface (TPMS). Grazie alla loro geometria matematicamente controllata e alle loro proprietà fisiche e meccaniche offrono la possibilità di essere impiegati non solo come strutture di alleggerimento, ma anche come geometrie innovative per scambiatori di calore e reattori chimici. Per la prima volta, rispetto alla letteratura disponibile, strutture reticolari basate su TPMS sono state prodotte in 17-4 PH tramite Bound Metal Deposition (BMD), un processo additivo basato sull’estrusione di binder, sviluppato da Desktop Metal. A partire da un’approfondita analisi della geometria, guidata dai vincoli del processo viene proposta una modifica alla struttura della giroide per la produzione di una singola cella. Una vasta gamma di celle unitarie con differenti dimensioni e densità relative sono state stampate, debindizzate e sinterizzate con successo, validando la modifica proposta. Questo lavoro si propone come il punto di partenza per la produzione di strutture reticolari derivate dai TPMS tramite Bound Metal Deposition.