Spatial beam shaping in laser powder bed fusion for enhancing the processability of E-mobility alloys

Electrification is shaping our future through the utilization of electric machines and sustainable mobility solutions. On the one hand, traditional manufacturing approaches have expressed their maximum potential in the fabrication of electrical machines. On the other hand, Additive Manufacturing technologies, such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF), can redefine the construction principles of next-generation electric machines with complex topologically optimized geometries. Nonetheless, the LPBF process suffers from various limitations such as the scarce flexibility of the spatial beam profile. Beam shaping techniques emerge as an opportunity as they allow to tailor the beam to the specific application. Accordingly, this dissertation delves into the application of a dynamic beam shaping technique to LPBF. First, a multi-core laser source with dynamic beam shaping capabilities was integrated into a LPBF system. Then, the novel laser beams emitted by the source were characterized and modeled to define new shape parameters capable of predicting the material response. Eventually, the novel profiles were utilized to explore the processability and functional properties of two representative electromobility materials. Specifically, the effect of irradiance profile on the melt pool shape and tensile properties of A357 (AlSi7Mg0.6) and the microstructure and electromagnetic shielding properties of Fe-2.9wt.%Si was investigated. Ultimately, this dissertation provides a robust foundation to the beam shaping applicability to LPBF. The main goal is to establish beam shape as a rigorous parameter and to dictate new protocols for designing experiments and tailor functional properties in LPBF process.

L’elettrificazione sta trasformando il nostro futuro con l’utilizzo di macchine elettriche e soluzioni di mobilità sostenibili. Da un lato, gli approcci tecnologici tradizionali hanno espresso il loro massimo potenziale nella costruzione delle macchine elettriche. Dall’altro lato, le tecnologie di manifattura additiva, come la fusione laser a letto di polvere (LPBF), possono ridefinirne i principi costruttivi, con geometrie complesse ottimizzate topologicamente. Cionondimeno, il processo LPBF presenta vari limiti come la scarsa flessibilità del profilo spaziale del fascio. Le tecniche di modulazione spaziale del fascio rappresentano un’opportunità dato che permettono di sintonizzare il fascio sulla specifica applicazione. Perciò, questa tesi approfondisce l’utilizzo di una tecnica di modulazione spaziale del fascio nel processo LPBF. Inizialmente una sorgente laser con capacità di modulazione dinamiche è stata integrata in un sistema LPBF. Dopodiché, i fasci emessi dalla sorgente sono stati caratterizzati e modellati per definire nuovi parametri di forma capaci di predire la risposta del materiale. Infine, i vari profili sono stati utilizzati per esplorare la processabilità e le proprietà funzionali di due materiali rappresentativi per la mobilità elettrica. In particolare, è stato studiato l’effetto del profilo di irradianza sulla forma della pozza fusa e le proprietà di trazione di A357 (AlSi7Mg0.6) e la microstruttura e le proprietà elettromagnetiche di Fe-2.9wt.%Si. In definitiva, questo lavoro fornisce un fondamento robusto all’applicabilità della modulazione spaziale del fascio al processo LPBF. L’obiettivo è quello di stabilire la forma del fascio come un parametro di processo e dettare nuovi protocolli per la progettazione degli esprimenti e la manipolazione delle proprietà funzionali nel processo LPBF.