WAAM parametric prototyping of a joint in lightweight steel structures: a general understanding

The thesis is centered around the development of 3D printing as a mean of production in the building engineering and architecture industries, more precisely on the application field of lightweight steel structures. Starting back from the state of the art of 3D printing, it explores the early history of the creation of 3D printing, the different methodologies used for 3D printing and the main technologies used. This will allow to show an understanding of the different industries presenting some form of interest in these new means of productions for different reasons depending on their specific needs. The thesis is a part of the experiment around the 3D printing of a joint system in lightweight steel structures. The experiment is composed of a succession of different steps. It starts from the theoretical modeling of a geometry to function as the joint system, then the printing of different samples to define the printing parameters, before testing the mechanical results with tensile and coupon tests. All steps expressed the printing as a joint, made of 316L steel wire, on a S450 steel substrate which presented a U-profile stub of 175x65mm with a 1.6mm thickness (much thinner than what appears in the scientific literature). The thesis focus is set on the sample parametering, especially with the Wire Arc Additive Manufacturing printing technology, as the experiment would also later use Laser Metal Deposition technology to print another set of prototypes. The content will therefore explore sample by sample the different parameters settings, first by explaining the different parameters that are available, then by explaining how the samples evolved on multiple fronts, the geometry (going from tracks, to cylinders or rectangles before the final form), the size and length of the samples (smaller to bigger for each geometry) and the different methods used and / or abandoned during the experiment at the laboratory. The methods are the Cold Metal Transfer, Special 2-Step, Return-Gap and Gradual Travel-Speed methods. The evolution of the samples will therefore be divided in three categories: CMT & Special 2-Step samples, solely Special 2-Step samples, with finally a part about the Return Gap and Gradual Travel-Speed samples. Each part will be further divided in three sub-parts depending on the complexity of the geometry: Tracks, Cylinders or Rectangles and thirdly Gears. Finally, each sub-part will be explored according to the different sessions when the printing took place, in which each new parameters as well as the samples’ results observed will be explained. From there, the conclusion will go over the different parts that showed the most changes in the experiment during the printing at the laboratory of the campus of Bovisa: the five methods used, the main samples, the observation of main results. From there, it will suggest different fields to explore to deepen the understanding of the printing under the set conditions.

La tesi è incentrata sullo sviluppo della stampa 3D come mezzo di produzione nell'ingegneria edile e nell'architettura, più precisamente nel campo delle strutture leggere in acciaio. Partendo dallo Stato dell’arte della stampa 3D, ne esplora la storia delle origini, le diverse metodologie e le principali tecniche impiegate. Ciò consentirà di comprendere i diversi settori che presentano un qualche tipo di interesse per questi nuovi mezzi di produzione per motivi diversi a seconda delle loro esigenze specifiche. La tesi fa parte di un esperimento sulla stampa 3D di un sistema di giunti in strutture leggere in acciaio che si compone di una serie di fasi successive. Si parte dalla modellazione teorica di una geometria che funge da sistema di giunti, per poi passare alla stampa di diversi campioni al fine di definire i parametri di stampa, prima di testare i risultati meccanici con prove di trazione e di taglio. Tutte le fasi hanno riguardato la stampa di un giunto, realizzato con filo in acciaio 316L, su un substrato in acciaio S450 che presentava un profilo a U di 175x65 mm con uno spessore di 1,6 mm (molto più sottile di quanto riportato nella letteratura scientifica). La tesi si concentra sulla parametrizzazione dei campioni, in particolare con la tecnologia di stampa Wire Arc Additive Manufacturing, poiché l'esperimento avrebbe successivamente utilizzato anche la tecnologia Laser Metal Deposition per stampare un'altra serie di prototipi. Il contenuto esplorerà quindi campione per campione le diverse impostazioni dei parametri, spiegando innanzitutto i diversi parametri disponibili, quindi illustrando l'evoluzione dei campioni su più fronti, la geometria (passando da tracce a cilindri o rettangoli prima della forma finale), le dimensioni e la lunghezza dei campioni (da più piccoli a più grandi per ciascuna geometria) e i diversi metodi utilizzati e/o abbandonati durante l'esperimento in laboratorio. I metodi utilizzati sono il Cold Metal Transfer, lo Special 2-Step, il Return-Gap e il Gradual Travel-Speed. L'evoluzione dei campioni sarà quindi suddivisa in tre categorie: campioni CMT & Special 2-Step, campioni esclusivamente Special 2-Step e, infine, una parte dedicata ai campioni Return Gap e Gradual Travel-Speed. Ciascuna parte sarà ulteriormente suddivisa in tre sotto parti a seconda della complessità della geometria: Tracce, Cilindri o Rettangoli e, in terzo luogo, Ingranaggi. Infine, ciascuna sotto parte sarà esaminata in base alle diverse sessioni in cui ha avuto luogo la stampa, in cui saranno spiegati i nuovi parametri e i risultati osservati sui campioni. Da lì, la conclusione passerà in rassegna le diverse parti che hanno mostrato i cambiamenti più significativi nell'esperimento durante la stampa presso il laboratorio del campus di Bovisa: i cinque metodi utilizzati, i campioni principali, l'osservazione dei risultati principali. Da lì, suggerirà diversi campi da esplorare per approfondire la comprensione della stampa nelle condizioni stabilite.