Analisi della qualità superficiale e sviluppo di processi di finitura di componenti in tantalio puro fabbricati additivamente mediante fusione laser a letto di polvere

Additive Manufacturing (AM), also known as 3D printing, is a revolutionary technology that is transforming the way objects and components are produced. Rather than traditional manufacturing techniques, AM allows people to create three-dimensional parts by adding materials layer by layer, instead of removing material from a solid mass. Laser powder bed fusion (L-PBF) technology, which is within the AM family, is a process that enables the potential of this type of manufacturing to be applied, resulting in innovative geometries, complex internal structures or optimizing the weight of a component while maximizing its mechanical properties. For these reasons, this technology has received increasing interest in recent years; nowadays the most commonly used metallic materials in L-PBF are steels, titanium alloys, aluminum alloys, copper alloys, cobalt alloys and nickel alloys, as well as pure metals including titanium, gold and silver. Nonetheless, due to the potential of this technology, there are multiple opportunities and materials not yet explored. This thesis project is located within the SPES (Selective Production of Exotic Species) project of the Legnaro National Laboratories (LNL) of the National Institute of Nuclear Physics (INFN), which has as its research objective the realization of a facility based on particle accelerators. Within the latter, the Developments and Innovations on Additive Manufacturing (DIAM) group is responsible for the production and characterization of materials and artifacts produced by L-PBF. The study aims to produce the refractory metal components of plasma ionization sources. The objective is the characterization of additively produced pure tantalum. Being a part of the refractory metals, tantalum is of particular interest for high temperature and high vacuum applications. Furthermore, L-PBF technology, by allowing products of complex near-net-shape or even net-shape shapes, often makes the use of welds, which commonly represent the most critical areas of a component, unnecessary. Experimental and research activities have led to the optimization of downskin surfaces, surfaces supported by metal powder and facing the platform, and to the identification of a smoothing process to achieve an optimal surface finish. In addition, to carry out a complete characterization of the material, studies were conducted on the use of innovative contactless supports and specific tests designed to identify the critical producible weight for downskin walls. The results obtained in this thesis relate to the process strategies proposed for improving the downskin and surface texture of products made using pure tantalum L-PBF. They represent an important contribution to scientific and technological research regarding the manufacture of products made from these materials.

L'Additive Manufacturing (AM), conosciuta anche come stampa 3D, è una rivoluzionaria tecnologia che sta trasformando il modo in cui vengono prodotti oggetti e componenti. A differenza delle tecniche di produzioni tradizionali, l’AM consente di creare pezzi tridimensionali aggiungendo materiali strato dopo strato, invece di rimuovere materiale da una massa solida. La tecnologia di Laser powder bed fusion (L-PBF), che si colloca all’interno della famiglia dell’AM, è un processo che permette di applicare le potenzialità di questo tipo di manifattura ottenendo così geometrie innovative, complesse strutture interne oppure ottimizzare il peso di un componente massimizzandone le proprietà meccaniche. Per questi motivi, negli ultimi anni questa tecnologia ha riscosso un interesse crescente; a giorno d’oggi i materiali metallici più comunemente utilizzati nel L-PBF sono acciai, leghe di titanio, leghe di alluminio, leghe di rame, leghe di cobalto e leghe di nickel, oltre a metalli puri, tra cui titanio, oro e argento. Tuttavia, viste le potenzialità di questa tecnologia, vi sono molteplici opportunità e materiali non ancora esplorati. Questo progetto di tesi si colloca all’interno del progetto SPES (Selective Production of Exotic Species) dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) che ha come obbiettivo di ricerca la realizzazione di una facility a partire da acceleratori di particelle. All’interno di quest’ultimo, il gruppo Developments and Innovations on Additive Manufacturing (DIAM) si occupa della produzione e caratterizzazione di materiali e manufatti prodotti tramite L-PBF. Lo studio si pone come obbiettivo la produzione dei componenti in metallo refrattario delle sorgenti di ionizzazione al plasma. L’obbiettivo è la caratterizzazione di tantalio puro prodotto additivamente. Appartenendo ai metalli refrattari, il tantalio risulta di particolare interesse per applicazioni ad elevate temperature e in alto vuoto. La tecnologia L-PBF, inoltre, permettendo di ottenere prodotti di forme complesse near-net-shape o anche net-shape rende spesso non necessario l’utilizzo di saldature, che comunemente rappresentano le zone più critiche di un componente. Le attività sperimentali e di ricerca hanno portato all’ottimizzazione delle superfici di downskin, superfici supportate da polvere metallica e rivolte verso la piattaforma, e all’individuazione di un processo di lisciatura che permetta di ottenere una finitura superficiale ottimale. Inoltre, per effettuare una caratterizzazione completa del materiale, sono stati effettuati studi sull’utilizzo di supporti innovativi contactless e specifiche prove atte a individuare il peso critico producibile per pareti downskin. I risultati ottenuti in questa tesi sono relativi alle strategie di processo proposte per il miglioramento delle caratteristiche superficiali di downskin e di finitura superficiale dei prodotti realizzati mediante L-PBF di tantalio puro. Essi rappresentano un contributo importante per la ricerca scientifica e tecnologica per quanto concerne la fabbricazione di prodotti realizzati con questi materiali.