Laser power bed fusion of NiTi powder with shape memory effect: processability and functional performances

Additive manufacturing has revolutionized the production of highly complex and customized parts by enabling the layer-by-layer fabrication of three-dimensional structures. This innovative approach allows for the creation of geometrically intricate shapes that are difficult, if not impossible, to achieve with traditional manufacturing methods. One of the most notable features of AM is its ability to produce lattice or trabecular structures, which are often used in various applications that require lightweight and high-strength materials. The aim of this thesis is to investigate the processability of lattice and bulk structures made from shape memory NiTi alloy, produced via Laser Power Bed Fusion, and to evaluate both their microstructure and mechanical properties. The research presented in this work focuses on understanding the fundamental relationships between processing parameters, microstructure, and mechanical performance, and how these influence the overall properties of the final product. In the first phase of the study, a process is conducted to obtain the highest possible density. The process parameters, such as laser power and scan speed are systematically varied to study the feasibility map. The second part of the study explores the evolution of the microstructure in the as built and heat-treated samples. The microstructural changes are analysed using optical microscopy and X-ray diffraction. Additionally, calorimetric analysis provides the evolution of the transformation temperature. Finally, the mechanical performance of the specimens is assessed through compression testing, showing the functional behaviour of the NiTi printed samples. In details, it was demonstrated that the use of AM can allow the realization of functional 3D structures able to offer the capability of recovering a relevant deformation upon heating.

La produzione additiva ha rivoluzionato la realizzazione di componenti altamente complessi e personalizzati, permettendo la fabbricazione strato su strato di strutture tridimensionali. Questo approccio innovativo consente di creare forme geometricamente intricate, difficili, se non impossibili, da ottenere con i metodi di produzione tradizionali. Una delle caratteristiche più rilevanti della produzione additiva è la capacità di produrre strutture a reticolo o trabecolari, utilizzate in varie applicazioni che richiedono materiali leggeri e ad alta resistenza. L'obiettivo di questa tesi è investigare la processabilità di strutture a reticolo e massicce in lega NiTi in grado di esibire l’effetto a memoria di forma, prodotte tramite fusione laser a letto di polvere (Laser Power Bed Fusion), e valutare sia la loro microstruttura che le proprietà meccaniche. La ricerca presentata si concentra sulla comprensione delle relazioni fondamentali tra i parametri di processo, la microstruttura e le prestazioni meccaniche, e su come questi influenzano le proprietà complessive del prodotto finale. Nella prima fase dello studio, viene condotta un’esplorazione dei principali parametri di processo per ottenere la massima densità possibile. I parametri di processo esplorati sono stati, la potenza del laser e la velocità di scansione. La seconda parte dello studio esplora l’evoluzione della microstruttura e delle proprietà funzionali dei campioni prodotti nella condizione as built e dopo trattamento termico. È noto che il trattamento termico ha un'influenza significativa sulla microstruttura delle leghe metalliche, e comprendere come questo influisce sulle strutture in lega NiTi è fondamentale per ottimizzarne le prestazioni. Le modifiche microstrutturali vengono analizzate utilizzando la microscopia ottica e la diffrazione a raggi X. Inoltre, l'analisi calorimetrica consente di misurare le temperature di trasformazione. Le prestazioni meccaniche dei campioni vengono valutate attraverso prove di compressione, con particolare attenzione alle caratteristiche funzionali di recupero di deformazione a seguito del riscaldamento del materiale. Si dimostra quindi che è possibile ottenere l’effetto a memoria di forma su campioni 3D di forma complessa prodotti per Additive manufacturing.