Sviluppo di metodi per il miglioramento della qualità dei prodotti realizzati mediante laser powder bed fusion di Niobio puro

The thesis work is part of the I.FAST project (Innovation Fostering in Accelerator Science and Technology), a European project that aims to study new designs and processes for the manufacture of modern particle accelerators capable of improving the energy efficiency. The study is focused on the manufacture of superconducting cavities in Niobium. This material is chosen since it has the highest critical temperature among pure superconducting metals (9.25 K). Furthermore, Nb is interesting because it has one of the highest critical magnetic fields for superconducting metals. The production of these superconducting resonant cavities is to be achieved through additive manufacturing, which has the advantage of being able to produce shapes with a degree of complexity higher than conventional production processes. This allows the cavities to be manufactured in a single component to maximize their performance. The additive manufacturing of Niobium, however, is difficult due to its two properties: high thermal conductivity and high melting temperature. The combination of these two properties makes it difficult to locally obtain the melting conditions of the material. The main purpose of the thesis work was to improve the quality of the products made by L-PBF (Laser Powder Bed Fusion) for the previously described application, with particular attention paid to increasing the final density of the components produced and to improvement of the surface finish of the downskin walls (i.e. unsupported surfaces facing the build platform). The experimental activities concern, first, the setting of process parameters and scanning strategies. In addition, innovative contactless supports have been developed and tested to further improve the surface finish of downskin surfaces. The relative density obtained by optimizing the process parameters was found to be 99.87%, with an important improvement over the results obtained previously. A second important result is related to the use of contactless supports, which enabled the construction (usually particularly difficult) of downskin walls with inclinations of up to 20° with respect to the platform. Finally, thanks to the experiments developed in this thesis work, it was possible to make an important improvement in the surface finish of the downskin surfaces. Which are known to be the most difficult to make with acceptable quality. For each degree of inclination analyzed, the average surface roughness was reduced by 50-75%.

Il lavoro di tesi si colloca all’interno del progetto I.FAST (Innovation Fostering in Accelerator Science and Technology), un progetto europeo che ha lo scopo di studiare nuovi design e processi per la realizzazione di moderni acceleratori di particelle in grado di migliorare l’efficienza energetica. Lo studio è focalizzato sulla realizzazione di cavità superconduttive in Niobio. Viene scelto questo materiale essendo che possiede la temperatura critica più elevata tra i metalli superconduttori puri (9,25 K). Inoltre, il Nb risulta essere interessante perché possiede un campo magnetico critico tra i più elevati per i metalli superconduttori. La produzione di queste cavità risonanti superconduttive si vuole realizzare tramite fabbricazione additiva, che ha il vantaggio di per poter produrre forme con un grado di complessità superiore ai processi produttivi convenzionali. Ciò permette di fabbricare le cavità in un unico componente al fine di massimizzarne le performance. La lavorazione additiva del Niobio, tuttavia, risulta ostica per due sue proprietà: elevata conducibilità termica ed elevata temperatura di fusione. La combinazione di queste due proprietà rende difficile ottenere localmente le condizioni di fusione del materiale. Lo scopo principale del lavoro di tesi è stato quello di migliorare la qualità dei prodotti realizzati mediante lavorazione L-PBF (Laser Powder Bed Fusion) per l’applicazione precedentemente descritta, con particolare attenzione dedicata all’incremento della densità finale dei componenti prodotti e al miglioramento della finitura superficiale delle pareti downskin (cioè superfici non supportate rivolte verso la piattaforma di costruzione). Le attività sperimentali hanno riguardato, in primo luogo, il settaggio dei parametri di processo e delle strategie di scansione. In aggiunta, sono stati sviluppati e testati dei supporti innovativi di tipo contactless per migliorare ulteriormente la finitura superficiale delle pareti downskin. La densità relativa ottenuta mediante ottimizzazione dei parametri di processo è risultata essere pari al 99,87%, con un miglioramento importante rispetto i risultati ottenuti in precedenza. Un secondo risultato di rilievo è relativo all’utilizzo dei supporti contactless, che ha abilitato la realizzazione (solitamente particolarmente ostica) di pareti downskin con inclinazioni fino a 20° rispetto la piattaforma. Infine, grazie agli esperimenti sviluppati in questo lavoro di tesi, è stato possibile apportare un miglioramento importante della finitura superficiale delle pareti downskin. Che sono note per essere le più difficili da realizzare con una qualità accettabile. Per ogni grado di inclinazione analizzato la rugosità superficiale media è stata ridotta del 50-75%.