Studio dell'influenza dei parametri di processo nella fabbricazione additiva di prodotti di alluminio per il miglioramento delle proprietà superficiali

Additive Manufacturing (AM) technologies enable the direct fabrication of products from the CAD (Computer Aided Design) model, through the addition of consecutive thin layers of material (layer-based approach), without requiring the use of specialized equipment (e.g., molds or specific tools). Moreover, recent technological advances of metal additive manufacturing processes allow the production of functional products with optimized shapes thanks to the high geometrical complexity that can be obtained, which can be used for several cycles under relevant loading and temperature conditions. This makes such products particularly interesting for the automotive and aerospace industries. Currently, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is seen as one of the most promising AM processes for applications in such industries. In the field of heat exchange, the production of components made of aluminum alloy combined with the possibility of making complex internal channels in heat exchangers using the L-PBF process is a very attractive solution. However, the surfaces of these channels are typically characterized by complex topography, high roughness and strong dependence on the chosen process parameters. Given the importance of surface characteristics on heat transfer properties, this work has the following objectives: • Identification of optimal L-PBF process parameters in order to ensure high density and to improve the surface finish of fabricated specimens. • Study of the influence of the manufacturing strategy and of the relative position of the specimen in the fabrication volume on the surface characteristics. • Evaluation of the pressure drop coefficient in relation to the surface texture of fabricated specimens. • Design of specimens and setup of the measurement instrumentation for future heat transfer tests, based on the results obtained in the previous points. The study initially focuses on finding the optimal L-PBF process parameters for the additive manufacturing of AlSi10Mg parts with high relative density and good surface characteristics. Among the tested laser scanning strategies, the stripe-type strategy for filling the core combined with a "pre-contour" led to the most significant surface characteristics improvement. In order to be able to adequately characterize the obtained surfaces, specific specimens were designed with geometries similar to those of actual channels and produced at different orientation with respect to the building direction. In addition, pressure drop tests were performed on actual channels, which were also manufactured at different orientations. Finally, the geometry of specimens was specifically designed together with the instrumentation setup for testing the thermal conductivity of the fabricated material and for analyzing the heat transfer. Such tests will be conducted in the future to continue this work. The results obtained in this thesis regarding relative density, surface characteristics, and pressure drop analysis extend the evidences already achieved in recent years and represent an important contribution to the scientific and technological research.

Le tecnologie di Additive Manufacturing (AM) consentono la fabbricazione di prodotti direttamente a partire dal loro modello CAD (Computer Aided Design), attraverso un principio di funzionamento che si basa sull’aggiunta di strati sottili consecutivi di materiale (layer-based approach), senza richiedere l’utilizzo di attrezzature specializzate (stampi o utensili specifici). In aggiunta, i recenti progressi tecnologici dei processi di fabbricazione additiva di metalli rendono possibile la realizzazione di prodotti funzionali e con forme ottimizzate grazie all’elevata complessità geometrica ottenibile, utilizzabili per diversi cicli in condizioni di carico e temperatura rilevanti. Questo rende tali prodotti particolarmente apprezzati nel settore automobilistico e aerospaziale. Il tipo di processo che ad oggi risulta più diffuso per queste applicazioni è chiamato Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Nell’ambito dello scambio termico, la produzione di componenti realizzati in lega di alluminio unita alla possibilità di realizzare complessi canali interni negli scambiatori di calore mediante il processo L-PBF, rappresenta una soluzione molto interessante. Tuttavia, le superfici di questi canali sono tipicamente caratterizzate da una topografia complessa, rugosità elevata e dipendenza dai parametri di processo. Data l’importanza delle caratteristiche superficiali sulle proprietà di scambio termico, questo lavoro di tesi si prefigura i seguenti obiettivi: • Individuazione dei parametri di processo ottimali al fine di garantire un’elevata densità e un miglioramento della finitura superficiale dei provini fabbricati. • Studio dell’influenza della strategia di produzione e della posizione relativa del provino nel volume di fabbricazione sulle caratteristiche superficiali. • Valutazione del coefficiente di perdita di carico in relazione alla tessitura superficiale dei provini fabbricati. • Design dei campioni e impostazione della strumentazione di misura per prove di scambio termico future, alla luce dei risultati ottenuti nei punti precedenti. Lo studio svolto si concentra, nella sua prima parte, sulla ricerca dei parametri di processo ottimali per la produzione additiva di parti in AlSi10Mg con densità relativa elevata e buone caratteristiche superficiali. Tra le strategie di scansione del laser valutate, quella di tipo “stripe” per il riempimento del core unita ad un “pre-contour” hanno consentito di migliorare maggiormente le caratteristiche superficiali dei componenti. Al fine di poter caratterizzare le superfici ottenute in modo adeguato sono stati progettati dei campioni specifici aventi geometrie simili a quelle dei canali effettivi e prodotti in diverse orientazioni rispetto alla direzione di fabbricazione. In aggiunta, sono state eseguite delle prove di perdita di carico su canali effettivi, realizzati ancora a diverse orientazioni rispetto alla direzione di fabbricazione. Infine, sono state sviluppate le geometrie dei provini ed è stato predisposto il setup per le analisi di conducibilità termica del materiale fabbricato e di scambio termico che verranno effettuate in futuro come continuazione di questo lavoro. I risultati ottenuti in questa tesi relativi alla densità relativa, alle caratteristiche superficiali e alle analisi di perdita di carico ampliano le evidenze già raggiunte negli ultimi anni e rappresentano un contributo importante per la ricerca scientifica e tecnologica sui temi trattati.