The term “Additive Manufacturing” (AM) references technologies that grow three dimensional objects one superfine layer at a time. Each successive layer bonds to the preceding one of melted or partially melted material. With AM techniques, it is possible to obtain near net shape parts with quite fine resolution. Selection of the right AM technology along with proper design optimization can lead to very significant savings through reduction of buy-to-fly ratios, overall weight and scrap. AM applications are limitless: from pre-production visualization models to the fabrication of end-use products in different fields. However, the efforts currently underway to develop AM methods will not avoid the question of anisotropy: indeed, this kind of unidirectional manufacture will in all probability exacerbate it. Moreover, the presence of defects of different natures in the AM products can significantly influence the fatigue resistance, providing micro-cracks that can propagate and cause the failure of the part. For this project, two analysis have been performed: one on the mechanical anisotropy of Ti6Al4V (grade 5), conducting tensile and shear tests on samples manufactured by SLM technique, along different build directions, and one on the fatigue behavior of SS316L, conducting cyclic tests in traction, torsion and bending on samples manufactured by SLM technique, subject to different surface treatments. The first analysis, on the Ti6Al4V pieces, has shown as expected an anisotropic behavior, with the best results in terms of ductility and strength obtained for specimens with build direction parallel to the direction of the principal stresses. The second analysis, on the SS316L pieces, has shown an improvement in fatigue resistance for polished specimens, and a further improvement for machined and polished specimens in comparison to the ones without surface treatment. However, the fatigue limit obtained for every SLM piece has proven to be lower than the reference limit for wrought samples.

Il termine “Additive Manufacturing” (AM) si riferisce alle tecnologie che creano oggetti tridimensionali uno strato molto sottile alla volta. Ogni strato si lega al precedente, composto di materiale fuso o parzialmente fuso. Con le tecniche di AM è possibile ottenere parti “near net shape”, con una precisione piuttosto alta. La scelta della tecnica di AM giusta e la corretta ottimizzazione del design possono comportare dei risparmi significativi tramite la riduzione della “buy-to-fly ratio”, del peso e degli scarti. Le applicazioni della AM sono illimitate: dai modelli di visualizzazione pre-produzione alla fabbricazione di prodotti finiti in ambiti differenti. Ad ogni modo, gli sforzi in atto per sviluppare i metodi AM non possono evitare la questione dell’anisotropia: in effetti, questo tipo di manifattura unidirezionale andrà probabilmente ad aggravarla. Inoltre, la presenza di difetti di diverso tipo nei prodotti AM può influenzare significativamente la resistenza a fatica, creando micro-fratture che possono propagarsi e causare un guasto del pezzo. Per questo progetto, due analisi sono state condotte: una sull’anisotropia del Ti6Al4V (grado 5), con delle prove di tensione e taglio su dei campioni prodotti tramite la tecnica SLM lungo diverse direzioni di costruzione, ed una sul comportamento a fatica del SS316L, attraverso delle prove cicliche di trazione, torsione e flessione su dei campioni prodotti tramite la tecnica SLM, sottoposti a differenti trattamenti di superfice. La prima analisi, sui pezzi in Ti6Al4V, ha mostrato come previsto un comportamento anisotropico, con i migliori risultati in termini di resistenza e duttilità ottenuti per dei provini con direzione di costruzione parallela alla direzione degli sforzi principali. La seconda analisi, sui pezzi in SS316L, ha mostrato un miglioramento della resistenza a fatica per i provini levigati, e un ulteriore miglioramento per i provini lavorati a macchina e levigati, rispetto ai provini senza trattamenti di superficie. Ad ogni modo, il limite di fatica ottenuto per ogni pezzo SLM è risultato più basso del limite di riferimento per provini prodotti con tecniche tradizionali.

Mechanical characterization of titanium alloy Ti6Al4V and 316L stainless steel manufactured by SLM

Scarpetta, Marco
2020/2021

Abstract

The term “Additive Manufacturing” (AM) references technologies that grow three dimensional objects one superfine layer at a time. Each successive layer bonds to the preceding one of melted or partially melted material. With AM techniques, it is possible to obtain near net shape parts with quite fine resolution. Selection of the right AM technology along with proper design optimization can lead to very significant savings through reduction of buy-to-fly ratios, overall weight and scrap. AM applications are limitless: from pre-production visualization models to the fabrication of end-use products in different fields. However, the efforts currently underway to develop AM methods will not avoid the question of anisotropy: indeed, this kind of unidirectional manufacture will in all probability exacerbate it. Moreover, the presence of defects of different natures in the AM products can significantly influence the fatigue resistance, providing micro-cracks that can propagate and cause the failure of the part. For this project, two analysis have been performed: one on the mechanical anisotropy of Ti6Al4V (grade 5), conducting tensile and shear tests on samples manufactured by SLM technique, along different build directions, and one on the fatigue behavior of SS316L, conducting cyclic tests in traction, torsion and bending on samples manufactured by SLM technique, subject to different surface treatments. The first analysis, on the Ti6Al4V pieces, has shown as expected an anisotropic behavior, with the best results in terms of ductility and strength obtained for specimens with build direction parallel to the direction of the principal stresses. The second analysis, on the SS316L pieces, has shown an improvement in fatigue resistance for polished specimens, and a further improvement for machined and polished specimens in comparison to the ones without surface treatment. However, the fatigue limit obtained for every SLM piece has proven to be lower than the reference limit for wrought samples.
HOR, ANIS
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2021
2020/2021
Il termine “Additive Manufacturing” (AM) si riferisce alle tecnologie che creano oggetti tridimensionali uno strato molto sottile alla volta. Ogni strato si lega al precedente, composto di materiale fuso o parzialmente fuso. Con le tecniche di AM è possibile ottenere parti “near net shape”, con una precisione piuttosto alta. La scelta della tecnica di AM giusta e la corretta ottimizzazione del design possono comportare dei risparmi significativi tramite la riduzione della “buy-to-fly ratio”, del peso e degli scarti. Le applicazioni della AM sono illimitate: dai modelli di visualizzazione pre-produzione alla fabbricazione di prodotti finiti in ambiti differenti. Ad ogni modo, gli sforzi in atto per sviluppare i metodi AM non possono evitare la questione dell’anisotropia: in effetti, questo tipo di manifattura unidirezionale andrà probabilmente ad aggravarla. Inoltre, la presenza di difetti di diverso tipo nei prodotti AM può influenzare significativamente la resistenza a fatica, creando micro-fratture che possono propagarsi e causare un guasto del pezzo. Per questo progetto, due analisi sono state condotte: una sull’anisotropia del Ti6Al4V (grado 5), con delle prove di tensione e taglio su dei campioni prodotti tramite la tecnica SLM lungo diverse direzioni di costruzione, ed una sul comportamento a fatica del SS316L, attraverso delle prove cicliche di trazione, torsione e flessione su dei campioni prodotti tramite la tecnica SLM, sottoposti a differenti trattamenti di superfice. La prima analisi, sui pezzi in Ti6Al4V, ha mostrato come previsto un comportamento anisotropico, con i migliori risultati in termini di resistenza e duttilità ottenuti per dei provini con direzione di costruzione parallela alla direzione degli sforzi principali. La seconda analisi, sui pezzi in SS316L, ha mostrato un miglioramento della resistenza a fatica per i provini levigati, e un ulteriore miglioramento per i provini lavorati a macchina e levigati, rispetto ai provini senza trattamenti di superficie. Ad ogni modo, il limite di fatica ottenuto per ogni pezzo SLM è risultato più basso del limite di riferimento per provini prodotti con tecniche tradizionali.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/173952