Mechanistic end milling force modeling of green-state metallic feedstock

Hybrid Manufacturing allows to combine the advantages coming from Additive Manufacturing, in terms of parts complexity and those of traditional subtractive CNC machining, which guarantees parts geometrical accuracy, surface quality and repeatability. The adoption of binder-based AM technologies as additive part of the hybrid technologies adds to the advantages of hybrid manufacturing a low-cutting forces subtractive phase, called green milling, which allows to realize accurate features even on difficult to cut materials with negligible tool wear. Many studies deal with the characterization of green milling process, in terms of cutting forces and components quality as function of factors, like cutting parameters, particles material, particle dimensions, as well as binder concentration and chemical composition. However, the green machining process optimization has not been already discussed, since the cutting parameters are often derived from traditional-materials, and this could bring to high inefficiency, both in terms of milling quality and manufacturing time. The green milling optimization could be also achieved through the development of a proper force prediction model that would primarily allow to deeply investigate the green-material machining behaviour, and then would help the manufacturers to better design the machining operations, as well as to develop proper fixturing systems and tool geometries. The aim of this thesis is to deeply investigate the solid end milling machining mechanisms of green state metallic components printed via a state-of-art Metal-FDM machine, namely Desktop Metal Studio System +. This has been done by testing different ranges of cutting parameters and mainly by implementing a first mechanistic cutting force prediction models for green state metallic feedstocks.

La manifattura ibrida permette di combinare i vantaggi della manifattura additiva, prevalentemente legati alla complessità geometrica dei componenti, e quelli della manifattura per asportazione di truciolo, che permette di ottenere componenti caratterizzati da elevate tolleranze dimensionali, ottime finiture superficiali ed elevata ripetibilità. L’adozione di tecnologie binder-based, come parte additiva delle tecnologie ibride, aggiunge a tutti i vantaggi propri dell’ibrido, un processo di asportazione di truciolo caratterizzato da basse forze di taglio, chiamato fresatura a verde, che permette di realizzare operazioni accurate anche su materiali difficili da lavorare con un’usura utensile trascurabile. Diversi studi hanno trattato la caratterizzazione della fresatura a verde, sia in termini di forze di taglio che di qualità dei componenti, in funzione di diversi fattori, come: i parametri di taglio, il materiale delle particelle e la loro dimensione, così come in funzione della concentrazione dei polimeri e della loro composizione chimica. L’ottimizzazione del processo di fresatura a verde, però, non è ancora stata studiata, difatti i parametri di taglio sono tipicamente scelti come derivati da quelli dei materiali tradizionali: ciò può portare a delle inefficienze sia dal punto di vista della qualità che della produttività. L’ottimizzazione della fresatura a verde può essere raggiunta anche attraverso lo sviluppo di un adeguato modello di previsione delle forze di taglio che permetterebbe sia di analizzare più nel dettaglio la meccanica del taglio ma anche, in un’ottica improntata alla produzione, di progettare in maniera ottimale la strategia di fresatura, così come di ideare dei sistemi di fissaggio o delle geometrie utensile specifiche. L’obbiettivo di questa tesi è quello di studiare il processo di fresatura di materiali metallici a verde stampati da un macchinario leader nel settore Metal-FDM, Desktop Metal Studio System +. Ciò è stato fatto attraverso lo studio del comportamento dei materiali in funzione di diversi parametri di taglio, ma soprattutto attraverso lo sviluppo di un primo modello meccanicistico per la previsione delle forze di fresatura a verde.