Effect of gas atomization parameters on the behaviour of AISI 316L powders for laser powder bed fusion

In this work the effect of gas atomization (GA) parameters is evaluated in powders produced for laser powder bed fusion (L-PBF), also known as selective laser melting (SLM), with the aim of improving atomization yield and reducing costs without impacting final product quality. AISI 316L stainless steel industrial scrap was atomized in 8 different powder trials varying gas to metal ratio (G/M) from 1.3 to 2.2 and implementing a modified nozzle geometry to reach a G/M of 3.9. Correlations among atomization parameters, powders characteristics and SLM printed specimens properties were investigated. Powders characteristics were measured in terms of morphology and rheology, showing a connection between particle size distribution (PSD) and indexes such as specific energy (SE), permeability and conditioned bulk density (CBD). A comprehensive assessment of numerous rheological indexes was carried out, selecting the most informative to enable a possible reduction of necessary tests and save on experiment cost and time. For this purpose, SE resulted to be appropriate. Specimens produced using SLM were tested revealing typical fine austenitic microstructure and satisfactory density >98.8%. The results show that G/M on its own has not a clear influence on powder and printed specimen properties while the modified nozzle geometry provides a positive impact on powder flowability, CBD and printed specimen ultimate tensile strength (UTS). A brief economic analysis was conducted showing that the maximum profit could be obtained using the maximum G/M without renouncing to more than acceptable mechanical performance.

In questa tesi è stato studiato il processo di atomizzazione a gas (GA) per produrre polveri adatte a laser powder bed fusion (L-PBF), conosciuto anche come selective laser melting (SLM), con l’obiettivo di aumentare il rendimento e diminuirne i costi senza compromettere la qualità del prodotto finito. Acciaio inossidabile AISI 316L proveniente da scarti industriali è stato atomizzato in 8 diverse prove variando il rapporto tra portate di gas e metallo (G/M) da 1.3 a 2.2. Una modifica all’ugello ha permesso di raggiungere G/M di 3.9. Sono state investigate le correlazioni tra parametri di atomizzazione, caratteristiche delle polveri, e proprietà dei provini stampati SLM. Le caratteristiche delle polveri sono state misurate in termini di morfologia e reologia, mettendo in luce dei collegamenti tra distribuzione dimensionale delle particelle (PSD) e indici come energia specifica (SE), permeabilità e densità apparente condizionata (CBD). È stato realizzato uno studio comprensivo di numerosi indici reologici, selezionando il più informativo, allo scopo di rendere possibile una eventuale riduzione del numero di prove necessarie, così diminuendo tempi e costi di sperimentazione. L’energia specifica (SE) è risultata essere adeguata a tale scopo. I provini prodotti tramite SLM sono stati testati rivelando una tipica microstruttura fine austenitica e densità adeguata >98.8%. I risultati hanno mostrato che non è chiara l’influenza del G/M, considerato da solo, sulle proprietà di polveri e provini. Invece l’ugello modificato provoca un distinto impatto positivo su scorrevolezza e CBD della polvere e resistenza a rottura dei provini stampati (UTS). È stata ricavata una breve analisi economica per dimostrare come il massimo del profitto si possa ottenere utilizzando il massimo G/M senza rinunciare a una prestazione meccanica più che accettabile.