Assessment of an Al-Si alloy for the semi-solid metal extrusion process

Semi-solid metal extrusion and deposition (SSMED) processes have recently become of great interest in research on additive manufacturing, offering great opportunities for the production of near-net shape components, increasing production speed and reducing costs. The term SSMED refers to a group of techniques such as fused-coating based additive manufacturing (FCAM), direct metal writing (DMW), and thixoprinting that exploit the thixotropic behavior of semi-solid metals. Indeed, when metals are heated to a temperature between the solidus one and the liquidus one, partial melting occurs, generating a slurry whose structure is composed of the leftover solid phase immersed in a liquid matrix. When shear stress is applied to this slurry, it flows almost like a liquid, and when the shear stress stops the material keeps its shape. To be successfully employed in SSMED processes, metals require a microstructure made of globular grains surrounded by an eutectic phase. Upon heating in the semi-solid state, the eutectic melts, allowing the solid grains to flow on each other. In this thesis, a process similar to strain-induced melt-activated (SIMA) was applied for the production of wire feedstock made of an Al-Si alloy with an internal globular microstructure. The conditions for the generation of such a structure were investigated and the influence of the different parameters on the result was experimentally examined. In particular, the effect of temperature and time of heat treatment on the resulting microstructure of the metal was studied. The microstructural changes in the treated samples were observed through optical microscopy and Scanning Electron Microscopy to evaluate the consistency of the obtained results and their coherency with the results shown in the literature. Moreover, a thixotropic printing setup was assembled, starting from the design and the production of a printing head. A modular structure was chosen to make eventual repairing easier and to allow improvements in the single parts without substituting the whole component. It was realized in stainless steel, to resist the temperature reached during printing. The printing head was mounted on an aluminum frame, a step-motor was added to push the feedstock wire and a controller was implemented to adjust the feed rate. Final tests were performed to study some aspects of the printing setup and printing parameters. The first test was about the feasibility of an induction system to heat the nozzle and its positioning in the setup. The second test was a software simulation, employed to select the best temperature interval for printing. Finally, an extrusion test was performed to check the overall working of the printing machine, and to observe the microstructure of the extruded material. The main results obtained in this work were the production of a wire feedstock with a globular microstructure after a heat treatment at 590°C, the assembly of a thixoprinting machine, and the successful extrusion of the Al-Si alloy in the semi-solid state through the nozzle of the printer.

I processi di estrusione e deposizione di metalli allo stato semi-solido (EDMSS) hanno recentemente acquisito grande importanza nell'ambito della ricerca sulla manifattura additiva, offrendo grosse opportunità per la produzione di componenti finiti, incrementando la velocità di produzione e diminuendone i costi. Il termine EDMSS si riferisce ad un gruppo di tecniche quali "fused-coating based additive manufacturing" (FCAM), "direct metal writing" (DMW), e "thixoprinting" che sfruttano il comportamento tixotropico dei metalli allo stato semi-solido. Infatti, quando i metalli vengono riscaldati ad una temperature compresa tra quella di solidus e quella di liquidus, avviene una parziale fusione del materiale. Si genera un fluido la cui struttura è composta dalla frazione di solido rimasta, immersa in una matrice liquida. Quando uno sforzo di taglio è applicato a questo fluido, questo scorre quasi come se fosse liquido, mentre quando lo stimolo cessa, il materiale smette di fluire e mantiene la sua forma. Per essere impiegati con successo in processi allo stato semi-solido, i metalli devono presentare una microstruttura caratterizzata da grani globulari circondati da una fase eutettica. Quando questa struttura viene scaldata in campo semi-solido, la fase eutettica fonde, permettendo ai grani ancora solidi di scorrere gli uni sugli altri. In questa tesi è stato applicato un processo simile a quello denominato strain-induced melt-activation (SIMA) per produrre un filamento in una lega di Al e Si con la struttura globulare desiderata. Sono state valutate le condizioni per generare tale struttura ed è stata esaminata sperimentalmente l'influenza che i vari parametri hanno sul risultato. In particolare, sono stati studiati gli effetti di tempo e temperatura del trattamento termico sulla microstruttura finale del metallo. I cambiamenti microstrutturali ottenuti sono stati osservati attraverso microscopia ottica e microscopia a scansione elettronica, per valutare i risultati ottenuti e la loro coerenza con quanto mostrato in letteratura. Successivamente, è stato assemblato un prototipo per la stampa tixotropica, partendo dalla progettazione e realizzazione della testa di stampa. E' stata scelta una struttura modulare per facilitare eventuali riparazioni e permettere di apportare miglioramenti alle singole parti senza sostituire l'intero componente. Il pezzo è stato realizzato in acciaio inossidabile per resistere alle temperature raggiunte durante la stampa. La testa di stampa è stata montata su una struttura di alluminio. Successivamente sono stati implementati un motore collegato ad un estrusore a ingranaggi, per spingere il filamento durante il processo di stampa, e un controller per regolare la velocità di rotazione del motore e controllare il movimento del filamento. Infine è stata effettuata una serie di test per studiare alcuni aspetti del prototipo e valutare alcuni parametri di stampa. Il primo test riguarda l'efficacia del sistema di induzione nel riscaldamento dell'ugello e il suo posizionamento. Il secondo test è stato eseguito tramite una simulazione software per individuare l'intervallo di temperature ideale per la stampa. L'ultimo test è stato una prova di estrusione per verificare il funzionamento integrale del prototipo e osservare la microstruttura del materiale estruso. I principali risultati ottenuti in questo lavoro sono stati la produzione di un filamento in lega di Al e Si a microstruttura globulare dopo un trattamento termico a 590°C, l'assemblaggio di un prototipo per la stampa tixotropica e l'estrusione del materiale allo stato semi-solido attraverso il nozzle della stampante.