Characterization and monitoring of powder bed fusion of ceramics

Ceramics are currently amongst the most promising materials in engineering: their outstanding mechanical properties make them suitable for a wide range of high-end applications, but their manufacturing is time-consuming and expensive. Additive Manufacturing could be the key to the industrial adoption of these materials, enabling the production of highly complex shapes with reduced lead time. Specifically, Selective Laser Melting of hematite-doped and manganese oxide-doped alumina ceramics is investigated in this work. This specific additive manufacturing technology is characterized based on the final quality of the products and the laser absorptance of the materials with respect to a continuous-wave infrared laser and a pulsed green laser. Furthermore, the process is studied more in detail through In-Situ Monitoring, which describes the geometrical features of the melt pool, its emission in the visible and near-infrared spectrum, and the spatter’s behavior. This work also investigates relations between the absorptance, the final samples’ quality, and the in-situ gathered data, looking for eventual correlations that could help future developments of this promising technology.

Le ceramiche sono tra i materiali più promettenti in ambito ingegneristico: le loro eccellenti proprietà meccaniche le rendono adatte a diverse applicazioni avanzate, ma la loro produzione è costosa e dispendiosa in termini di tempo. L’Additive Manufacturing può essere la chiave per l’adozione di questi materiali in ambito industriale, permettendo la produzione di componenti dalla forma complessa in tempi relativamente brevi. Nello specifico, questo lavoro si concentra sul processo di Selective Laser Melting di allumina dopata con ossido di ferro e di allumina dopata con ossido di manganese. Questo particolare processo di additive manufacturing viene studiato in base alla qualità finale delle parti prodotte ed in base all’assorbanza dei due materiali rispetto ad un laser infrarosso continuo ed un laser verde pulsato. Inoltre, lo studio di questo processo viene approfondito tramite In-Situ Monitoring, monitorando le proprietà geometriche della melt pool, l’emissione della melt pool nello spettro visibile e vicino all’infrarosso, e la presenza di spatter durante il processo. Vengono mostrate possibili relazioni tra l’assorbanza, la qualità finale dei componenti e i dati ottenuti tramite in-situ monitoring, cercando correlazioni che possano favorire lo sviluppo di questa promettente tecnologia.