Evaluation of binder jetting of 316L stainless steel powder from scrap metal recycling

Additive manufacturing techniques have undergone a considerable expansion in recent years. Initially limited to thermoplastic materials only, thanks to the continuous developments in technology and materials research, the production of metal parts via 3D printing is also increasingly common. Many of the additive manufacturing techniques of metal components have already been extensively studied, while binder jetting has not been explored as much. This is a relatively new type of 3D printing that uses a liquid binder to bind powders together. In this project binder jetting 3D printing is investigated focusing on the applicability of 316L steel powders from recycled scrap metal and assessing the potential problems that can arise when working with these materials. First, we started from characterizing the powder by studying its morphology and particle size, which are crucial factors to consider when using powder bed-based processes. Then, the samples were printed and tested to analyze their microstructure, density, shrinkage and mechanical properties to determine the quality and durability of the printed parts. After the test, the causes of the limited densification of the samples were analyzed. A comparison was made with samples of the same material from non-recycled virgin powders, which had been printed with the same technique but reached high densities. This comparison made it possible to investigate the factors causing the low densities and develop strategies to improve the process. Furthermore, Thermo-Calc was employed to simulate the behaviour of the materials by predicting the phase diagrams and studying the diffusion processes. Lastly, shell specimens, in which the binder was deposited only in the outer shell, were printed to go to investigate the effect that a carbonium-rich environment may have during the sintering stage, assuming that there may be some residual C remaining from the binder that was not completely removed. In conclusion, this project demonstrated the potential of using recycled powders in binder jetting while highlighting the challenges that need to be addressed to make it a more viable option for the production of structural parts.

Le tecniche di manifattura additiva hanno subito una notevole espansione negli ultimi anni. Inizialmente limitata ai soli materiali termoplastici, grazie ai continui sviluppi nella tecnologia e nella ricerca sui materiali, la stampa 3D è sempre più diffusa anche per la produzione di parti metalliche. Molte delle tecniche di manifattura additiva di componenti metallici sono già state ampiamente studiate, mentre il binder jetting non è stato altrettanto esplorato. Questo è un tipo di stampa 3D relativamente nuova che utilizza un legante liquido per legare insieme le polveri. In questo progetto viene studiata la stampa 3D di binder jetting concentrandosi sull'applicabilità delle polveri di acciaio 316L riciclate da rottami metallici e valutando i potenziali problemi che possono sorgere quando si lavora con questi materiali. Innanzitutto, siamo partiti dalla caratterizzazione della polvere studiandone la morfologia e la dimensione delle particelle, che sono fattori cruciali da considerare quando si utilizzano processi basati su letto di polvere. Quindi, i campioni sono stati stampati e testati per analizzarne la microstruttura, la densità, il ritiro e le proprietà meccaniche per determinare la qualità e la durabilità delle parti stampate. Dopo i test sono state analizzate le cause del limitato addensamento dei campioni. È stato effettuato un confronto con campioni dello stesso materiale provenienti da polveri non riciclate, che erano state stampate con la stessa tecnica ma avevano raggiunto densità elevate. Questo confronto ha permesso di indagare i fattori che causano le basse densità e sviluppare strategie per migliorare il processo. Inoltre, Thermo-Calc è stato impiegato per simulare il comportamento dei materiali prevedendo i diagrammi di fase e studiando i processi di diffusione. In ultimo sono stati stampati dei provini shell, chiamati così perché il binder è stato depositato solo nel guscio esterno del provino, per andare ad indagare l'effetto che può avere un ambiente ricco di carbonio durante la fase di sinterizzazione, assumendo che possa rimanere del C residuo dal binder che non è stato completamente rimosso. In conclusione, questo progetto ha dimostrato il potenziale dell'utilizzo di polveri riciclate nel binder jetting, evidenziando al contempo le sfide che devono essere affrontate per renderlo un'opzione più praticabile per la produzione di parti strutturali.