Binder jetting process capability analysis on 17-4PH stainless steel

Metal Binder Jetting (MBJ) has potential to be a disruptive technology on the additive manufacturing field to produce large quantities of high-quality industrial components. MBJ consists in the deposition of a liquid binder layer-by-layer on a powder bed to obtain complex geometries. After printing, it is required post-processing techniques of curing to obtain sufficient strength of the green parts for de-powdering phase, then debinding which burns out polymeric binder and sintering to achieve the desired densification and mechanical properties of the final parts. To ensure a quality robustness, it is required to control several variables throughout the process chain. Therefore, it is fundamental to study the most influential factors for the adoption of new generation MBJ systems by the manufacturing community. It was performed an experimental assessment of a MBJ shop system (Desktop Metal) on the effects that powder pre-processing and printing parameters have on the quality of 17-4PH parts. The fractioned experimental campaign varied among two levels, the temperature of the powder, the relative humidity of the printing chamber, the layer height (thickness), and the bleeding factor. The focus is on surface roughness, dimensional accuracy and linear shrinkage using a 3D microscope scanner (Alicona InifiniteFocus), density by archimedes’ method and internal density by analyzing the metallography of the specimens, and superficial hardness (Rockwell C) and internal microhardness (HV 0,3 kgf). Layer height has the main influence on the best density and hardness values, and it can reduce the influence that other parameters have on the quality. Moreover, the study suggests to also consider the contributions of other process parameters and environmental conditions, since they could be source of noise, therefore a full factorial experimental design is recommended to clarify the results.

Metal Binder Jetting (MBJ) ha il potenziale per essere una tecnologia innovativa nel campo della produzione additiva per produrre grandi quantità di componenti industriali con alta qualità. MBJ consiste nella deposizione di un legante liquido strato per strato su un letto di polvere per ottenere geometrie complesse. Dopo la stampa, sono necessarie tecniche di polimerizzazione per ottenere una resistenza sufficiente delle parti a verde per la fase di depolverizzazione, quindi il deceraggio che brucia il legante polimerico e la sinterizzazione per ottenere l'addensamento desiderato e le proprietà meccaniche delle parti finali. Per garantire una robustezza della qualità, è necessario controllare diverse variabili lungo tutta la catena di processo. Pertanto, è fondamentale studiare i fattori più influenti per l'adozione di sistemi MBJ di nuova generazione. È stata eseguita una valutazione sperimentale di un MBJ shop system (Desktop Metal) sugli effetti che i parametri di pre-lavorazione e stampa della polvere hanno sulla qualità delle parti 17-4PH. La campagna sperimentale frazionata è variata tra due livelli con i parametri come la temperatura della polvere, l'umidità relativa della camera di stampa, l'altezza dello strato (spessore) e il fattore di bleeding. L'attenzione è rivolta alla rugosità superficiale, alla precisione dimensionale e al ritiro lineare utilizzando un microscopio 3D (Alicona InifiniteFocus), densità secondo il metodo di Archimedes e densità interna analizzando la metallografia dei provini, e durezza superficiale (Rockwell C) e microdurezza interna (HV 0,3 kgf). L'altezza dello strato ha l'influenza principale sui migliori valori di densità e durezza e può ridurre l'influenza che altri parametri hanno sulla qualità. Inoltre, lo studio suggerisce di considerare anche i contributi di altri parametri di processo e condizioni ambientali, poiché potrebbero essere fonte di rumore, pertanto si raccomanda un full factorial design per chiarire i risultati.