Validazione statistica della caratterizzazione del processo di Spray Forming mediante prove sperimentali sui materiali

Spray Forming (SF) is an advanced manufacturing process with strong potential for the sustainable production of high-quality tool steels and metal powders for Additive Manufacturing. By enabling the reuse of metal scrap within a closed-loop material cycle, this technology can contribute to high material efficiency and a substantial reduction of waste. Since Spray Forming is still under development, a deeper understanding of the relationship between process parameters and final product quality is essential for process improvement and optimization. This thesis statistically evaluates the data collected during two Spray Forming production runs, corresponding to two billets with a target diameter of 600 mm and a length of about 2000 mm. The process data come from the sensor network of the plant, from which five explanatory parameters were selected, namely the deposition temperature and the four gas pressures of the two atomizers; the corresponding time series were cleaned, reduced to approximately four hundred records per run and mapped onto the position along the billet. The analysis is supported by non-destructive ultrasonic testing (UT), which was used to detect internal defects in the manufactured billet, such as porosities or cracks. The inspections were carried out every 100 mm along the axis of the billet and their outcome was coded in two complementary ways: a binary variable, distinguishing zones with and without a defect indication according to the presence or absence of the backwall echo, and an ordinal variable with eight levels of increasing severity, obtained by comparing each signal with a set of reference graphs. Combining the analysis of the production data with the UT results made it possible to assess the consistency between the monitored operating parameters and product quality, thus providing insight into the relationship between process conditions and defect formation and supporting the characterization of the Spray Forming process. The results indicate that the deposition temperature and the secondary pressure of the first nozzle are the parameters most consistently associated with the internal quality detected by UT. For the temperature, the two runs yield a common candidate range of 1270-1280°C, whereas for the pressure the association recurs in both runs but at different values, so that no common range can be derived. The strength of the association, however, depends on the machine setup, being marked in the first run and more limited in the second, which was carried out after a modification of the nozzle angles and with a different steel grade, suggesting that part of the observed variability is not captured by the five selected parameters. Since the two runs differ in both setup and chemical composition, the differences observed between them cannot be attributed to either factor alone. The candidate ranges identified therefore delimit regions of reduced risk rather than regions free of defect indications and are to be regarded as working hypotheses to be submitted to confirmation runs. Overall, this work shows that the statistical analysis of ordinary production data, integrated with non-destructive testing, can be a useful exploratory tool for interpreting process behaviour and identifying the process parameters associated with product quality, and it provides a reproducible methodological basis for the development of more reliable monitoring and control strategies, with the long-term aim of improving process stability and final material quality.

Lo Spray Forming (SF) rappresenta un processo produttivo avanzato che offre un significativo potenziale per la produzione sostenibile di acciai per utensili di elevata qualità e di polveri metalliche destinate all'Additive Manufacturing. Attraverso il riutilizzo di rottami metallici all'interno di un ciclo dei materiali chiuso, questa tecnologia consente di conseguire un'elevata efficienza dei materiali e una sensibile riduzione degli scarti prodotti. Trattandosi di un processo ancora in fase di sviluppo, una comprensione approfondita delle relazioni tra i parametri operativi e la qualità finale del prodotto risulta di fondamentale importanza ai fini del suo miglioramento e della sua ottimizzazione. Il presente lavoro di tesi conduce una valutazione statistica dei dati raccolti durante due cicli produttivi di Spray Forming, corrispondenti a due billette con diametro nominale di 600 mm e lunghezza di circa 2000 mm. I dati di processo provengono dalla rete di sensori dell'impianto, dalla quale sono stati selezionati cinque parametri esplicativi, ossia la temperatura di deposizione e le quattro pressioni del gas dei due atomizzatori. Le relative serie temporali sono state ripulite, ridotte a circa quattrocento record per produzione e messe in corrispondenza con la posizione lungo la billetta. L'analisi è supportata dai controlli non distruttivi eseguiti mediante tecnica ad ultrasuoni (UT), impiegata per rilevare difetti interni presenti nella billetta prodotta, come porosità o cricche. Le ispezioni sono state condotte ogni 100 mm lungo l'asse della billetta e il loro esito è stato codificato in due modi complementari. Il primo è una variabile binaria, che distingue le zone sane da quelle difettose in base alla presenza o all'assenza dell'eco di fondo. Il secondo è una variabile ordinale a otto livelli di severità crescente, ottenuta dal confronto di ciascun segnale con una serie di grafici di riferimento. La combinazione dell'analisi dei dati di produzione con i risultati dei controlli UT ha permesso di valutare la coerenza tra i parametri operativi monitorati e la qualità del prodotto. Ne derivano indicazioni sulla relazione tra condizioni di processo e formazione dei difetti, a supporto della caratterizzazione del processo di Spray Forming. I risultati ottenuti indicano che la temperatura di deposizione e la pressione secondaria del primo ugello sono i parametri più costantemente associati alla qualità rilevata dai controlli UT. Per la temperatura le due produzioni forniscono un intervallo candidato comune di 1270-1280°C, mentre per la pressione l'associazione si ripresenta in entrambe le produzioni ma a valori diversi, per cui non è possibile ricavare un intervallo comune. La forza dell'associazione dipende tuttavia dall'assetto della macchina, risultando marcata nella prima produzione e più contenuta nella seconda, eseguita dopo una modifica degli angoli degli ugelli e con un diverso acciaio, a indicare che una parte della variabilità osservata non sia catturata dai cinque parametri selezionati. Poiché le due produzioni differiscono sia per assetto sia per composizione chimica, le differenze osservate tra loro non sono attribuibili a uno solo dei due fattori. Gli intervalli individuati delimitano pertanto regioni a rischio ridotto, e non regioni prive di indicazioni di difetto. Vanno considerati come ipotesi di lavoro da sottoporre a produzioni di conferma. Nel complesso, questo lavoro mostra come l'analisi statistica dei dati di produzione ordinari, integrata con i controlli non distruttivi, possa costituire uno strumento esplorativo per interpretare il comportamento del processo e individuare i parametri associati alla qualità del prodotto. Fornisce inoltre una base metodologica riproducibile per lo sviluppo di strategie di monitoraggio e controllo più affidabili, con l’obiettivo a lungo termine di migliorare la stabilità del processo e la qualità finale del materiale.