Binder jetting 3D printing of hardmetal WC-Co

Binder Jetting is a non-fusion-based additive manufacturing technique that through the deposition of a liquid binder joins powder particles together to generate both complex and simple shapes designed by a CAD software. It is a layer by layer process, where the printing bed lowers of the desired layer thickness and other powder is distributed on its surface each time before the application of the polymeric binder. Once the printing phase is over, post-processing is necessary and performed using different thermal treatments: the first is curing for consolidating the printed part, the second thermal treatments is de-binding that burns out as much polymeric binder as possible and at latter there is sintering to induce the densification and achieve the required mechanical properties and microstructure. In this thesis project, the Innovent+ 3D printer made by ExOne were used, to print hardmetal WC-Co, in order to study the influence of the printing parameters, and defining the best sintering cycle. Indeed, samples with different combinations of binder saturation and layer thickness were printed, and in order to understand the impact on the density, microstructure and mechanical properties, they have been sinterized with two different post-processing routes. The study has been carried out starting from the powder up to the sintered pieces, and after choosing the best sintering cycle and the printing parameters that allow the best repeatability, samples according to the ISO 3327 standard were printed, on which the mechanical properties were tested through hardness vickers test and transverse rupture strength test. This work has demonstrated that the sinterHIP is the best sintering cycle, that allows to obtain samples almost full dense, on the other hand, the sintered samples have an inhomogeneous microstructure.

Il Binder Jetting è una tecnica di produzione additiva senza fusione, che attraverso la deposizione di un legante liquido unisce le polveri per generare forme sia complesse che semplici progettate attraverso un software CAD. È un processo che avviene strato per strato, in cui il piano di stampa si abbassa dello spessore desiderato e la polvere viene distribuita sul piano prima dell’applicazione del legante. Terminata la fase di stampa, altre lavorazioni sono necessarie, principalmente si tratta di eseguire diversi trattamenti termici: il primo è il curing che permette di consolidare il campione, il secondo è il de-binding che brucia quanto più legante polimerico possibile e l’ultimo ciclo termico è la sinterizzazione che permette di incrementare la densità, ottenere proprietà meccaniche e microstrutturali richieste. In questo progetto di tesi, è stata utilizzata la stampante Innovent + 3D realizzata da ExOne, per stampare polvere di WC-Co, al fine di studiare l’influenza dei parametri di stampa, e il miglior ciclo di sinterizzazione. Sono stati infatti stampati campioni con diverse combinazioni di saturazione del legante e spessore dello strato, e poi sono stati sinterizzati con due diversi cicli di sinterizzazione, al fine di comprenderne l’impatto sulla densità, sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche. Lo studio è stato condotto partendo dalla polvere fino ai pezzi sinterizzati, e dopo aver scelto il miglior ciclo di sinterizzazione ed i parametri di stampa che consentono la migliore ripetibilità, sono stati stampati dei campioni secondo la norma ISO 3327, sui quali poi sono state testate le loro proprietà meccaniche attraverso prove di durezza vickers e prove di flessione. Questo lavoro ha dimostrato che il sinterHIP è il miglior ciclo di sinterizzazione, e permette di ottenere campioni quasi completamente densi, d’altra parte i campioni sinterizzati hanno una microstruttura disomogenea.