Material selection and nozzle design for thixotropic 3D printing of Aluminium alloys

To improve critical aspects related to the current existing 3D printing methods, e.g. the powder-base ones, innovative studies can be performed on thixotropic metals, e.g. some Aluminium alloys. Implementing thixotropic printing in metallic additive manufacturing could enhance not only mechanical properties but also safety during the feedstock handling and cost-effectiveness, allowing at the same time to reduce post-processing. As a first step towards the validation of thixotropic printing of Al alloys, in this thesis, various compositions have been analysed through a CALPHAD-based software, identifying the proper material by considering as main factors the eutectic temperature and the fraction of solid. The alloy selection process led to identify the EN AW-4043 as a commercial alloy compatible with the thixotropic printing process. Since this alloy is mainly used in rod shape, due to its usage as filler wire material for welding, a cold rolling process has been performed, to reduce its diameter, down to 2 mm and 1 mm wires to be used as feedstock for the printing process. Subsequently, heat treatments were conducted at various heating temperatures (550, 574 and 590°C) and holding times (5, 10, 15 minutes), in order to develop a non-dendritic microstructure which is a prerequisite for successful thixotropic processing. The microstructure has been thoroughly examined using optical microscopy and Scanning Electron Microscopy. These systematic steps aim to shed light on the feasibility of future thixotropic printing with Al-Si alloys, with a specific emphasis on both the required microstructure and thixotropic properties, and also the methodologies for achieving the desired results. By microhardness tests, the impact of the main factors, such as time, temperature and diameter, on the material is observed and discussed. Eventually, a novel prototype of a printing head adaptable to process temperatures corresponding to the semi-solid state of the alloy and considering different heating sources is designed, opening the possibility for future printing tests based on the output obtained in this study.

Al fine di migliorare i metodi attuali di stampa 3D, come quelli basati sulla polvere, possono essere condotti studi innovativi sui metalli tixotropici, in particolare su alcune leghe di alluminio. L'implementazione di questa tecnologia nella manifattura additiva di materiali metallici migliora non solo le proprietà meccaniche, ma anche la sicurezza del processo e la convenienza economica, consentendo di raggiungere geometrie ancor più complesse ed eventualmente di ridurre la necessità di post-processing. Per ottenere ciò, varie composizioni sono state analizzate attraverso un software che sfrutta la metodologia CALPHAD, identificando il materiale appropriato considerando come fattori principali la temperatura eutettica e la frazione solida. Di recente, l’ EN AW-4043 è stata identificata come una lega commerciale compatibile con il processo di stampa tixotropica. Poiché viene utilizzata principalmente in forma di asta a causa della sua funzione come materiale di riempimento del filo in saldatura, è stato eseguito un processo di laminazione a freddo per ridurne il diametro, producendo fili da 2 mm e 1 mm. Successivamente, sono stati effettuati trattamenti termici a diverse temperature di riscaldamento (550, 574 e 590°C) e tempi di mantenimento (5, 10, 15 minuti), al fine di sviluppare una microstruttura non dendritica, che è stata accuratamente esaminata mediante microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione. Questi passaggi sistematici mirano a far luce sulla fattibilità della futura stampa tixotropica con leghe Al-Si, con un'enfasi specifica sulla microstruttura richiesta e sulle proprietà tixotropiche necessarie, nonché sulle metodologie per ottenere i risultati desiderati. Testando le proprietà di microdurezza, è stata osservata e discussa l'incidenza dei tre principali fattori quali tempo, temperatura e diametro sul materiale. Infine, è stato progettato un nuovo prototipo di testa di stampa adattabile a temperature di processo elevate raggiungibili con diverse fonti di calore, aprendo la possibilità di futuri test di stampa basati sui risultati ottenuti in questo studio.