Laser powder bed fusion of IN718 with increased layer thickness for higher build rate

This thesis evaluates the effect of layer thickness (LT) on the density, surface quality, and mechanical properties of Inconel 718 (IN718) parts produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF), and investigates whether volumetric energy density (VED) remains a reliable predictor at higher LT values. Three LTs (40, 80, 120 µm) were tested across five VED levels (62.5–122.0 J/mm³). Eighty-four density samples and tensile specimens were fabricated and characterized using Archimedes’ and optical density methods, surface roughness measurements, tensile testing, and fracture surface inspection. A regression model was also developed to correlate LT and VED with relative density. Relative densities above 99.5% were achieved within a stable VED window (92.3–107.1 J/mm³) at all LTs. However, tensile performance decreased with increasing LT: ultimate tensile strength (UTS), yield strength (YS), and elongation were reduced by 13.2%, 15.9%, and 35.2%, respectively, from 40 to 120 µm. While VED effectively predicted density, it was not a reliable indicator of tensile properties across LTs. Productivity improved substantially, with total build time reduced nearly threefold when increasing LT from 40 to 120 µm, but this was offset by reduced ductility and surface quality. These findings confirm that while higher LTs offer significant productivity gains, they compromise mechanical performance. Hybrid strategies, such as selective LT application or skin-core approaches, may therefore provide a practical balance between part quality and build productivity.

Questa tesi valuta l’effetto dello spessore di strato (LT) sulla densità, sulla qualità superficiale e sulle proprietà meccaniche di componenti in Inconel 718 (IN718) prodotti tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF), e indaga se la volumetric energy density (VED) rimanga un indicatore affidabile a valori elevati di LT. Tre valori di LT (40, 80, 120 µm) sono stati testati a cinque livelli di VED (62.5–122.0 J/mm³). Sono stati fabbricati 84 campioni per la misura della densità e provini per prove di trazione, caratterizzati mediante i metodi di Archimede e ottici per la densità, misure di rugosità superficiale, prove di trazione e ispezione delle superfici di frattura. È stato inoltre sviluppato un modello di regressione per correlare LT e VED con la densità relativa. Densità relative superiori al 99.5% sono state ottenute entro una finestra stabile di VED (92.3–107.1 J/mm³) per tutti gli LT. Tuttavia, le prestazioni meccaniche sono diminuite con l’aumento dello spessore di strato: la resistenza a trazione ultima (UTS), il limite di snervamento (YS) e l’allungamento a rottura si sono ridotti rispettivamente del 13.2%, 15.9% e 35.2% passando da 40 a 120 µm. Sebbene la VED si sia dimostrata efficace per prevedere la densità, non si è rivelata un indicatore affidabile delle proprietà a trazione al variare dell’LT. La produttività di costruzione è migliorata in modo significativo, con il tempo di costruzione ridotto di quasi tre volte aumentando l’LT da 40 a 120 µm, ma questo vantaggio è stato compensato da una minore duttilità e qualità superficiale. Questi risultati confermano che, sebbene LT più elevati offrano notevoli guadagni in termini di produttività, essi compromettono le prestazioni meccaniche. Strategie ibride, come l’applicazione selettiva dell’LT o approcci skin-core, possono quindi fornire un equilibrio pratico tra qualità del pezzo e produttività di costruzione.