An Experimental study on printing capability analysis in Metal Extrusion

The primary goal of this master’s thesis is to explore a more contemporary approach to metal 3D printing. Metal Mex (Material Extrusion) additive manufacturing is a process that draws inspiration from the traditional metal injection molding (MIM) method. In the Metal MEX process, a feedstock comprising a polymeric binder that serves as a matrix for metallic powder is initially 3D printed. Subsequently, the printed part undergoes a debinding phase to dissolve the binder, followed by a sintering step to produce a finalized densified metallic piece. Our study involves a comparative analysis of two Metal MEX technologies: plunger-based and screw-based, employing the same 17-4PH feedstock, debinding, and sintering machines. We endeavor to identify any disparities or similarities in terms of printing defects, weight reduction post-debinding, volume reduction post-sintering, and other relevant factors. Additionally, we delve into the manufacturability of hollow lattice structures using a plunger-based Metal MEX process, offering an alternative to existing methodologies such as multi-step fabrication or laser powder bed fusion (LPBF). It’s important to note that hollow lattice structures, aside from being lightweight, present intriguing energy absorption properties and higher stiffness compared to dense strut lattice structures. However, manufacturing these structures presents notable challenges. While the Metal MEX process shows promise in addressing these challenges, it is imperative to thoroughly investigate limitations related to the minimum printable thickness for the lattice struts and printing accuracy. In our study, we conduct an analysis of different struts featuring varying wall thickness and inclinations using 17-4PH material, with the aim of providing guidance for future endeavors leveraging this technology for printing hollow lattice structures. Successfully achieving good printability of these structures could open doors for their application across various engineering sectors, spanning from aerospace and automotive to biomedical domains.

L’obiettivo principale di questa tesi di laurea magistrale è esplorare un approccio più con temporaneo alla stampa 3D in metallo. La stampa di estrusione a metallo (Metal Mex) è un processo che trae ispirazione dal tradizionale metodo di stampaggio a iniezione dei metalli (MIM). Nel processo Metal Mex, inizialmente viene stampata in 3D una materia prima composta da un legante polimerico che funge da matrice per la polvere metallica. Successivamente, la parte stampata viene sottoposta a una fase di debinding per sciogliere il legante, seguita da una fase di sinterizzazione per produrre un pezzo metallico densificato. Il nostro studio prevede l’analisi comparativa di due tecnologie di Metal MEX: a pistone e a vite, che utilizzano lo stesso materiale di partenza 17-4PH, le stesse macchine per il debinding e la sinterizzazione. Cerchiamo di individuare eventuali differenze o somiglianze in termini di difetti di stampa, riduzione del peso dopo il debinding, riduzione del volume dopo la sinterizzazione e altri fattori rilevanti. In aggiunta, analizziamo la producibilità di strutture reticolari cave utilizzando un processo Metal MEX basato su un pistone, che offre un’alternativa alle metodologie esistenti, come la produzione multi-fase o la fusione laser a letto di polvere (LPBF). È importante notare che le strutture reticolari cave, oltre a essere leggere, presentano intriganti proprietà di assorbimento dell’energia e una maggiore rigidità rispetto alle strutture reticolari a reticolo denso. Tuttavia, la produzione di queste strutture presenta notevoli sfide. Sebbene il processo Metal MEX si dimostri promettente nell’affrontare queste sfide, è imperativo studiare a fondo le limitazioni legate allo spessore minimo stampabile per i tubi del reticolo e alla precisione di stampa. Nel nostro studio, abbiamo condotto un’analisi di diversi tubi con diversi spessori di parete e inclinazioni utilizzando il materiale 17-4PH, con l’obiettivo di fornire una guida per i futuri sforzi che sfruttano questa tecnologia per la stampa di strutture reticolari cave. Il raggiungimento di una buona stampabilità di queste strutture potrebbe aprire le porte alla loro applicazione in vari settori dell’ingegneria, da quello aerospaziale e automobilistico a quello biomedico.