Chemical-mechanical polishing for metallic additive manufacturing

Additive manufacturing, thanks to its design freedom, allows to create customized components with complex geometries and internal channels. The obtained components are rich in defects and characterized by a high surface roughness, for this reason, a series of finishing processes have been developed. Only a few finishing techniques are able to reach internal channels, whose surface is particularly rough. In this work, chemical etching, tumbling and vibrofinishing are combined to create a hybrid technique that allows to remove surface defects and reduce the roughness of internal channels. For each of the three studied alloys, Al-Si10-Mg, AISI 316L and Ti-6Al-4V, a chemical solution is developed, and its effects in terms of roughness and mass reduction are recorded. Then, for Al-Si10-Mg and AISI 316L, the chemical solution is used to accelerate a finishing process in a prototype vibratory barrel, developer by Rösler Italiana, where prototype components are treated. For all the mentioned alloys a satisfactory roughness reduction is observed after the treatment.

I processi di manifattura additiva, e in particolare quelli a letto di polvere, sono sempre più di uso comune nel settore industriale. Il grande vantaggio di queste tecniche è la possibilità di progettare e produrre in tempo breve dei componenti con geometrie complesse in un singolo processo. In particolare, è possibile ottenere componenti con canali e cavità interne che non si potrebbero produrre con le tradizionali tecniche di manifattura sottrattiva. Uno degli svantaggi principali è legato alla superficie dei pezzi costruiti, che presenta difetti macroscopici e una rugosità estremamente più alta rispetto ai pezzi ottenuti dalle tecniche tradizionali. La presenza di difetti è ulteriormente accentuata nei canali interni, dove la struttura non può essere sorretta dai sostegni. La alta rugosità e i difetti superficiali portano a diversi svantaggi nel caso in cui i canali interni sono usati per il trasporto di fluidi, per questo motivo, sono state sviluppate una serie di tecniche di finitura superficiale che permettono di ridurre la rugosità e rimuovere i difetti dei pezzi derivanti da manifattura additiva. La maggior parte di queste tecniche permette di ottenere buoni risultati solo sulle superfici esterne, più facili da raggiungere, mentre sono poche le tecniche che permettono di finire i canali interni. In questo lavoro vengono presentate diverse soluzioni che combinano la finitura chimica con i processi meccanici di vibrofinitura e burattatura. Tre fra le più comuni leghe usate nella manifattura additiva sono state studiate, ossia Al-Si10-Mg, AISI 316L e Ti-6Al-4V. Per ciascuna di esse è stata sviluppata una soluzione chimica capace di corrodere in modo controllato il materiale e rimuovere quindi i difetti superficiali. L’interazione tra la soluzione chimica e il metallo è stata valutata e compresa con dei test su scala di laboratorio, monitorando la perdita di massa e la riduzione di rugosità dei campioni. Successivamente, l’effetto chimico è stato combinato a quello meccanico in un macchinario costruito da Rösler Italiana: il prototipo SGZZ_01, che migliora il tradizionale buratto aggiungendo la componente della vibrazione. In questo macchinario è stato possibile lavorare dei componenti metallici reali in Al-Si10-Mg e AISI 316L inviati a Rösler Italiana da terzi. Si è osservato un netto miglioramento in termini di rugosità superficiale per i pezzi trattati nel macchinario prototipo, mentre nel caso di Ti-6Al-4V, la sola componente chimica è risultata sufficiente a ridurre la rugosità del materiale.