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LE SFIDE APERTE NELLA STAMPA 3D DEL METALLO AFFRONTATE IN UN CONTESTO MULTIDISCIPLINARE: IL LABORATORIO AddME DEL POLITECNICO DI MILANO
Barbara PrevitaliDIPARTIMENTO DI MECCANICAPolitecnico di Milano
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P. Colombo
ADD.ME Lab DIPARTIMENTO DI MECCANICA
AddMe.Lab
Direct energy deposition
Powder bed SLM
iFlams –Intelligent
UltraFlexibleAdditive
Manufacturing Systems
Hephaestus
SLM Electron beam
ADD.ME LAB
• Meccanica dei Sistemi
• Costruzione di Macchine e Veicoli
• Materiali per le Applicazioni Meccaniche
• Misure e Tecniche Sperimentali
• Tecnologie Meccaniche e Produzione
• Progetto e Disegno di Macchine
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P. Colombo
ADD.ME Lab
SELECTIVE LASER MELTING
Inizio 2015: installato un sistema SLM Renishaw AM250
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P. Colombo
Le sfide aperte
1. Design per metal additive manufacturing
2. Materiali per metal additive manufacturing
3. Miglioramento processo
4. Qualifica, controllo e qualità
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P. Colombo
DESIGN PER METAL ADDITIVE MANUFACTURING
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P. Colombo
Design for Additive Manufacturing: printability evaluation
• Overhangs: not printable
• Sharp edges: burning areas, powder accumulation
• Finishing requirements (geometric/dimensional tolerances):
post-processing activities planning
• Supporting areas: to guarantee
• placement and an “easy” removal of the object
• heat dissipation
• Holes: shape and dimensions
• Features to be obtained with “subtractive” technologies: to reduce
useless geometrical complexities
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Design for Additive ManufacturingBuild orientation issues – New shape generation
- Take into account the (X-Y-Z max dim.) of the part;
- Analysing the building direction according to:
• the working conditions of the component;
• the kind of finishing steps we have to perform
Building
direction
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Design for Additive ManufacturingBuild orientation issues – New shape generation
The support is a feature of the object
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P. Colombo
Design for Additive ManufacturingSupport issues: overhangs and heat dissipation
No support
Adequate supports
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Design for weight reduction:Lattice preliminary investigations
Design data
Cell size L 5 mm
Diameter d 1.25 mm
B A
A B
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Lattice preliminary investigationsSpecimen inspection
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Lattice preliminary investigationsCompression tests: sample A
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Lattice preliminary investigationsCompression tests: sample A
Displacement
Lo
ad
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P. Colombo
MATERIALI per ADDITIVE MANUFACTURING
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Polveri per SLM
Dimensione polveri ottimale
o troppo piccole: bassa scorrevolezza (flowability)
e tendono a formare agglomerati
o troppo grandi: scarsa precisione dimensionale e
finitura superficiale.
Polveri sferiche con distrubuzione ottimale della
dimensione
o Massimizzare densità di impacchettamento �
riduzione porosità nel pezzo
15-60 micron
Sul mercato sono già disponibili
polveri ottimizzate per l’SLM
appartenenti alle diverse famiglie
di materiali metallici.
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Microstruttura pezzi prodotti per SLM
Polveri metalliche vengono portate a fusione da un fascio laser
� Formazione di microstrutture di solidificazione
La solidificazione avviene in maniera molto rapida (Vraffreddamento fino a 108 °C/s).
� Formazione di microstrutture cellulari molto fini e direzionali
Similitudini tra microstrutture SLM e laser welding
316L SLM 316L Laser Weld
10 μm 40 μm
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Difetti nei pezzi prodotti per SLM
• Difetti microstrutturali:
-> cricche
-> porosità
-> disomogeneità
• Stress residui
-> provocano deformazioni
geometriche del pezzo
-> riducono la resistenza meccanica
Ottimizzazione parametri di
processo, trattamento
termico, riscaldamento del
substrato, ottimizzazione
strategia di deposizione
Modifica della composizione chimica e
ottimizzazione dei parametri di processo e
trattamento termico
• Anisotropia
-> formazione di tessiture
(orientazioni preferenziali grani)
-> proprietà meccaniche (fatica,
resistenza, duttilità, creep) diverse
nelle diverse direzioni di carico
Rotazione della scanning
direction
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Sviluppi della ricerca
• Sintesi di nuove leghe dedicate a processi SLM
� Approccio 1: Modifica di composizioni esistenti derivate da leghe per getti o da
deformazione plastica
� Approccio 2: Ricerca si composizioni innovative sfruttando principi metallurgici
derivati dalla rapida condizione di solidificazione (affinamento del grano,
sovrasaturazione, affinamento e dispersione di seconde fasi)
• Messa a punto di trattamenti termici ad hoc
� Distensione delle tensioni residue
� Trattamento termico di precipitazione
• Studio della correlazione tra strategie di deposizione e tessiture cristallografiche
ottenibili
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P. Colombo
MIGLIORAMENTO di PROCESSO
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P. Colombo
Analisi di porosità e produttività in SLM
Ottimizzazione vincolata del tempo di lavorazione in SLM
• Produttività bassa – influenza dei parametri e geometria
• Mancanza di un calcolatore accurato dei tempi di produzione
• Compensazione dell’errore geometrico
Parametri del
processo
P, t, dp, dh
Produttività
t [h], BR [cm3/h]
Densità
ρ [g/cm3]
Errore
geometrico
e [µm]
Modellazione analitica
Modelli statistici
Scelta dei
parametri ottimiCompensazione
geometrica
Fattori di
disturbo
Geometria
A, h, Ns
Validazione
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P. Colombo
• Funzionamento macchina: fusione per punti sia dell’hatch interno
che dei bordi esterni.
ton toff
t [s]
P [W]
T
⇒
Scansione bordo
esternaScansione bordo
interno
Analisi di porosità e produttività in SLM
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P. Colombo
• Interfaccia software per il calcolo dei tempi di produzione:
- Input: materiale, parametri di processo, dimensione e numerosità parti
- Output: tempi di costruzione e produttività
Analisi di porosità e produttività in SLM
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P. Colombo
• Acciaio per utensili
Maraging 18Ni300
• Densità ottenute
ρ > 99%
• Produttività massima per
ρ > 99% ⇒ 8,17 cm3/h
• Modello di stima della densità in funzione dei parametri di
processo (F [J/cm3])
1200001 1 00001 0000090000800007000060000500004000030000
8,1
8,0
7,9
7,8
7,7
F [J/cm3]
ρa [
g/c
m3
]
8,1
8,01 9
Regression
95% CI
95% PI
R2 = 76,3 %
Analisi di porosità e produttività in SLM
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P. Colombo
Parametriz
[����m]et misurato
[����m]et previsto
[����m]
Renishaw 40 203 202
Renishaw 50 188 193
908070
0,23
0,22
0,21
0,20
0,1 9
0,1 8
706050 1059075 5040
t [us] dp [um] dh [um] z [um]
• Modello di stima errore dimensionale in funzione dei
parametri di processo
Analisi di porosità e produttività in SLM
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P. Colombo
• Stampa di validazione:
- Parametri di processo risultanti
dall’ottimizzazione della produttività imponendo un vincolo di ρ > 99,2%
- Differenti parametri geometrici per valutarne un’eventuale influenza su ρ
- Compensazione traiettoria di
scansione del bordo della geometria
stimata con il modello dell’errore
dimensionale
P [W] t [����s] dp [����m] dh [����m] z [����m]
200 90 51 80 50
Diametro [mm] Altezza [mm]
10 – 15 – 20 10 – 30 – 50
C [����m]
121
Analisi di porosità e produttività in SLM
![Page 26: Le sfide aperte nelle stampa 3D del metallo affrontate in un contesto multidisciplinare: il laboratorio AddMe Lab del Politecnico di Milano](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022020314/58ee7a411a28ab2d018b461f/html5/thumbnails/26.jpg)
P. Colombo
Modello di costo per SLM
Sviluppo di un modello di costo adatto alla produzione additiva
• Applicazione del modello di costo al caso industriale BLM S.p.A.:
- Produzione annua di attrezzature per la curvatura del tubo
Modello di costo SLM
Modello di costo per
processi
convenzionali
Modelli di costo AM
da letteratura
(molto generali)
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P. Colombo
Modello di costo per SLM
• Principali risultati:
- In caso di produzione mediante processo SLM al semplice scopo di
sostituire le tecnologie tradizionali:
Costo totale produzione annua [€]
SLM Tradizionale
283.615 168.772+68%
COMPONENTI DI COSTO FASE DI LAVORAZIONE SLM
COSTO PERCENTUALE FASI DEL PROCESSO ADDITIVO
5%
87%8%
Pre-processing
Lavorazione
Post-processing
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P. Colombo
Modello di costo per SLM
• Principali risultati:
- In caso di produzione mediante processo SLM riprogettando i componenti per
sfruttare le potenzialità del processo (es: riduzione di peso)
• La riduzione di peso consente un risparmio di materiale ma soprattutto riduce i
tempi di costruzione ⇒ riduzione costi di produzione SLM
• La leggera maggiorazione di costo rispetto alla produzione tradizionale può
essere compensata da una maggior valore che la produzione additiva può dare
al componente
Costo totale produzione annua [€]
SLMSLM con riduzione di
peso del 30 %Tradizionale
283.615 182.090 168.772
-36% +8%
- 30% in peso
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P. Colombo
QUALIFICA, CONTROLLO E QUALITA’
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In-Process Monitoring of SLM
Different kinds of defect may originate during the layer-wise process
Several critical factors at:
• Feature level (acute corners, overhangs, thin walls, etc.…)
• Layer composition level (how many parts, relative distances, closeness of different
geometries, etc.)
• Powder deposition level (wiper wear, powder contaminations, debris, etc.)
• Laser scanning level (improper parameters, lens contamination, etc.)
• Other (input material properties, supporting strategies, etc.)
Three monitoring scales:
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In-Process Monitoring of SLM
Off-axial monitoring via high-speed camera (10kHz)
• Detection of local overheating phenomena
• Light intensity in the visible range used as proxy of local
temperature for cooling transitory characterization
• Characterization of spatters distribution and kinematics
Eperimental set-up
(Olympus high-speed
camera outside AM250)
High-speed image stream
![Page 32: Le sfide aperte nelle stampa 3D del metallo affrontate in un contesto multidisciplinare: il laboratorio AddMe Lab del Politecnico di Milano](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022020314/58ee7a411a28ab2d018b461f/html5/thumbnails/32.jpg)
In-Process Monitoring of SLM
Local overheating detection via Statistical Learning techniques applied to Image Processing
(Grasso, Laguzza, Colosimo,
Semeraro, 2016)
Case study: SLM of complex
geometries, AISI 316L steel
Shape deformations in
overhanging acute corners
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Conclusioni
1. Design per metal additive manufacturing
2. Materiali per metal additive manufacturing
3. Miglioramento processo
4. Qualifica, controllo e qualità
![Page 34: Le sfide aperte nelle stampa 3D del metallo affrontate in un contesto multidisciplinare: il laboratorio AddMe Lab del Politecnico di Milano](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022020314/58ee7a411a28ab2d018b461f/html5/thumbnails/34.jpg)
prof. Barbara Previtali
Dipartimento di Meccanica
Politecnico di Milano
Grazie per l’attenzione!