Sviluppo di una nuova piattaforma portacampioni per il miglioramento della qualità nella fabbricazione additiva e l’implementazione di metodi avanzati di analisi tomografica

Industrial interest in additive manufacturing is growing strongly thanks to the important advantages they offer compared to conventional production processes, especially from the point of view of greater design freedom. Today, one of the most used processes for the production of metal parts with high added value is Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). However, it is a process whose dynamics are not fully defined and which still suffers from considerable instability, with the result that the pieces produced are often characterized by a low geometric-dimensional accuracy and by the presence of different types of defects. In order to increase knowledge and to have greater control of the process, it is essential the availability of adequate measurement techniques and procedures that allow accurate assessments of geometric characteristics and defects to be made. One of the most interesting measurement techniques from this point of view is X-ray computed tomography, which allows high-resolution, non-destructive analyzes of both accessible and non-accessible geometries and surfaces, internal defects and powders used as starting material. A relevant problem regarding the accuracy of the measurements carried out on the pieces manufactured using L-PBF is the lack of reference geometries, which allow to refer the measurements to the building plane and to the reference system used in the 3D printer. To overcome this problem, in this thesis a new building platform has been developed. It allows to scan the printed samples together with the inserts of the building platform itself, produced with conventional processes (turning and milling), which provide accurate references. To make the platform multi-purpose, inserts of various sizes have been produced and reference features useful for the perspective correction of images obtained in in-process monitoring operations have been introduced. With this new platform available, innovative measurement procedures have therefore been developed to analyze the parameters that influence the Volumetric Energy Density with the ultimate aim of improving the printing process. In particular, the evolution of the process in the first layers up to the achievement of the so-called steady state, the distribution and density of the powders in the single layers and the extent of the effective layer thickness, i.e. the effective thickness of the powder with which the laser interacts have been analyzed. In order to remove further sources of uncertainty from the measurement, making it more reliable, 2D simulations of the powder measurement process were performed, to verify any correction to be applied to areas and volumes determined in the scanned volume processing software. Thanks to these analyses, not only has the definition of VED been improved and made more accurate by replacing NLT (nominal layer thickness) with ELT (effective layer thickness), but the foundations have also been laid for proposing new methods to optimize the manufacturing parameters. Important evidence has also been obtained, for example on the extent and causes of height shrinkage during printing, with remarkable results, for example, in the context of the interruption/resumption of the printing process of a component.

L’interesse industriale per le tecnologie della fabbricazione additiva (additive manufacturing) è in forte crescita grazie agli importanti vantaggi che esse offrono rispetto alle tecniche di produzione convenzionali, soprattutto dal punto di vista della maggiore libertà progettuale. Uno dei processi ad oggi più utilizzati per la realizzazione di parti metalliche ad alto valore aggiunto è il Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Tuttavia, si tratta di un processo le cui dinamiche non sono completamente note e che soffre ancora di notevole instabilità, con il risultato che i pezzi prodotti sono spesso caratterizzati da un’accuratezza geometrica-dimensionale non accettabile e dalla presenza di diverse tipologie di difetti. Per avere una migliore conoscenza e un maggior controllo del processo è fondamentale poter avere a disposizione tecniche e procedure di misura adeguate che consentano di effettuare valutazioni accurate sulle caratteristiche geometriche e sui difetti. Una delle tecniche di misura più interessanti da questo punto di vista è la tomografia computerizzata a raggi X, che permette analisi non distruttive ad alta risoluzione di geometrie e superfici sia accessibili che non accessibili, dei difetti interni e delle polveri utilizzate come materiale di partenza. Un problema rilevante per quanto riguarda l’accuratezza delle misure effettuate sui pezzi fabbricati mediante L-PBF è la mancanza di geometrie di riferimento, che consentano di riferire le misure stesse al piano di produzione e al sistema di riferimento utilizzato in macchina. Per superare tale problema, in questo lavoro di tesi è stata sviluppata una nuova piattaforma portacampioni che permette di scansionare i campioni stampati insieme a degli inserti della building platform stessa, prodotti con lavorazioni convenzionali (tornitura e fresatura), che forniscono dei riferimenti accurati. Per rendere polivalente la piattaforma sono stati prodotti inserti di varie misure e sono state introdotte feature di riferimento utili per la correzione prospettica di immagini ottenute in operazioni di monitoraggio in-process. Con questa nuova piattaforma a disposizione sono quindi state sviluppate delle procedure di misura innovative per analizzare i parametri che influiscono sulla Volumetric Energy Density al fine ultimo di migliorare il processo di stampa. In particolare, si sono analizzati l’evolvere del processo nei primi layer fino al raggiungimento del cosiddetto steady state, la distribuzione e la densità delle polveri nei singoli layer distribuiti e l’entità dell’effective layer thickness, ovvero dello spessore effettivo del layer di polvere con cui interagisce il laser. Per andare a rimuovere ulteriori fonti di incertezza dalla misura, rendendola più affidabile, sono state eseguite delle simulazioni 2D del processo di misura delle polveri, per verificare l’eventuale correzione da applicare ad aree e volumi determinati nel software di elaborazione dei volumi scansionati. Grazie a queste analisi, non soltanto si è migliorata e resa più accurata la definizione di VED sostituendo NLT (nominal layer thickness) con ELT (effective layer thickness), ma si sono anche poste le basi per proporre nuovi metodi di ottimizzazione dei parametri di fabbricazione. Si sono inoltre ottenute evidenze importanti ad esempio sull’entità e sulle cause dei ritiri in altezza durante la stampa, con risultati notevoli ad esempio per l’ambito dell’interruzione/ripresa del processo di stampa di un componente.