Metal additive manufacturing with FDM technology : production and characterization of stainless steel parts with Ultrafuse 316L filament

Metal additive manufacturing is becoming more and more relevant in the manufacturing industry. It is usually based on powders or wires melted by lasers or plasma beams, requiring complex and expensive equipment. Fused deposition modeling, on the contrary, is a simpler technology which allows to produce polymeric parts with affordable desktop 3D printers. Some companies are developing composite filaments, with a polymeric matrix filled with metal particles, to make possible the production of metal prototypes and small series of parts with any open-material FDM 3D printer. The filament Ultrafuse 316L is developed by BASF with this purpose and allows to produce, with a proper post-print debinding and sintering treatment, full metal parts with AISI 316L stainless steel. In this thesis, the possibilities offered by this filament, in terms of printable geometries and properties of the sintered material, are explored. The study started with an analysis of the influence of the slicing process, followed by the optimization of the printing parameters. Then, various lattice structures and dense green parts have been printed using the Ultrafuse 316L filament. The printed parts have been then debinded and sintered according to two different treatments: a catalytic debinding, according to the official debinding procedure suggested by the filament producer, and a purely thermal debinding process, developed on the basis of previous studies about binders with similar composition to that contained into the Ultrafuse filament. The purely thermal process demonstrated to be effective, even if the best results in terms of compactness of the material have been obtained with the catalytic treatment. Porosity of the sintered parts turned out to be moderately high, mainly because of a non-perfectly optimized printing process, and this affected the mechanical properties of the steel, which turned out to be lower with respect to the same material processed with other manufacturing technologies. Annealing of the sintered parts allows to slightly improve the properties of the material, creating a more homogeneous austenitic microstructure and solubilizing second phases formed during the sintering process. YS, UTS and elongation at fracture equal to, respectively, 173MPa, 495MPa and 43.5% have been obtained after the solution annealing treatment. The production of metal components, with FDM technology, demonstrated to be possible, even if further research efforts are needed to improve the printing process and, more generally, the mechanical properties of the 3D-printed parts.

La manifattura additiva di componenti metallici sta acquisendo sempre maggior rilievo tra i processi produttivi. Le tecnologie più comuni sono generalmente basate sulla fusione di polveri o fili tramite laser o altre fonti energetiche quali plasma o fasci di elettroni, che richiedono equipaggiamenti complessi e costosi. La modellazione a deposizione di materiale fuso, al contrario, è una tecnologia che consente di produrre oggetti in materiale polimerico tramite stampanti 3D più semplici e per questo tendenzialmente meno costose. Ultrafuse 316L è un filamento composto da polvere metallica e una matrice polimerica che permette quindi, a seguito di un processo di deceraggio e sinterizzazione, di produrre parti in acciaio inossidabile AISI 316L con stampanti 3D progettate per essere utilizzate con filamenti in materiale polimerico. La tesi esplora le possibilità offerte da tale filamento, in termini di geometrie stampabili e proprietà del materiale sinterizzato. Lo studio è iniziato con un’analisi dell’influenza del processo di slicing, seguita da un’ottimizzazione dei parametri di stampa. Sono state quindi stampate varie strutture reticolari e geometrie utilizzando il filamento Ultrafuse 316L. I modelli stampati sono stati trattati sia con un deceraggio catalitico (secondo la procedura suggerita dal produttore del filamento stesso), sia con un deceraggio puramente termico sviluppato sulla base di alcuni studi condotti sulla degradazione di matrici polimeriche simili a quella del filamento Ultrafuse. Il processo puramente termico si è dimostrato efficace, anche se i risultati migliori (in particolare riguardo la densità del materiale sinterizzato) sono stati ottenuti con il processo catalitico. La porosità di tutto il materiale sinterizzato è risultata essere mediamente elevata e questo ha influito negativamente sulle proprietà meccaniche, generalmente inferiori a quelle ottenibili con altri processi produttivi. Il trattamento termico di risolubilizzazione ha permesso un leggero miglioramento delle proprietà meccaniche, grazie alla formazione di una microstruttura più omogenea e alla dissoluzione di alcune fasi secondarie formate durante la sinterizzazione. Le proprietà meccaniche migliori sono state ottenute in seguito al trattamento di solubilizzazione, ottenendo valori di snervamento, carico di rottura e allungamento alla frattura rispettivamente pari a 173MPa, 495MPa e 43.5%. In conclusione, la tecnologia FDM si è rivelata adeguata alla produzione di parti metalliche, anche se ulteriori studi sono necessari per migliorare il processo di stampa e, più in generale, le proprietà meccaniche delle parti stampate.