Laser processing of biodegradable pure zinc: impact of beam shaping in LPBF and nanosecond surface texturing on surface morphology and degradation behaviour

This thesis is focused on the investigation of the laser processing of pure Zn, considered a promising biomaterial for temporary applications, thanks to its biodegradability and biocompatibility. In the present work, pure zinc thin walls are manufactured by laser powder bed fusion (LPBF), through a single track. An experimental plan is designed to investigate the effects of beam shaping, laser power and scanning speed. A stabile process window has been identified. Part thickness has been characterized. A detailed study regarding the degradation behaviour has been carried out, to determine the degradation rate and to characterise the degradation products. Furthermore, laser surface modification, through laser texturing has been performed on rolled zinc to control the degradation behaviour. Also in this case, a design of experiment has been planned, varying scanning speed, pulse repetition rate and overlap line. The degradation rate has been calculated. A detail characterization of the degradation products has been carried out in terms of phases and their morphologies. The obtained results in both cases are discussed critically.

La tesi intende investigare il processo laser di zinco puro, biomateriale promettente per applicazioni temporanee, grazie alla sua biodegradabilità e biocompatibilità. Più nello specifico, pareti sottili di zinco puro sono state prodotte per fusione laser a letto di polvere (LPBF), per mezzo di una singola passata. Nel piano sperimentale l’effetto di diversi profili di fasci laser, potenze del laser e velocità di scansione. Sono state identificate le condizioni che stabilizzano il processo LPBF. Lo spessore delle pareti sottili è stato caratterizzato. Il processo di degradazione è stato studiato nel dettaglio, calcolando la velocità di degradazione e analizzando i prodotti di degradazione e le relative morfologie. Inoltre, è stato investigato un processo di laser texturing, che consente di modificare la superficie del materiale. Sempre con la tecnica della singola passata, il processo è stato eseguito su superfici lucidate di zinco puro laminato. È stato studiato il processo di degradazione delle superfici modificate, calcolando la velocità di degradazione e caratterizzando i prodotti di degradazione. I risultati ottenuti sono stati confrontati e discussi in modo critico.