Sviluppo di un campione di riferimento per verificare e migliorare l’accuratezza delle misure tomografiche della porosità di componenti metallici prodotti additivamente

The use of additive manufacturing (AM) to produce industrial metal components, and in particular laser powder bed fusion (PBF-LB/M), is growing rapidly in recent years, especially thanks to the ability to create parts characterized by high geometrical complexity and good mechanical properties, while optimizing the material efficiency compared to conventional production processes. Despite the many advantages, AM components are often characterized by the presence of internal porosities that could represent sites of potential crack initiation. The ability to identify, measure accurately, and classify such porosities is fundamental to increase the level of knowledge about PBF-LB/M process and to optimize the manufacturing parameters to reduce or eliminate the presence of defects. High resolution X-ray computed tomography is a non-destructive measurement technique that has unique capabilities for defect measurements. In fact, it allows obtaining complete three-dimensional information about internal porosity, including morphology, dimensions, and spatial distribution. The accuracy of tomographic measurement of internal defects has already been studied in the literature for spherical porosities with diameters between 0.05 and 0.5 mm, but has not been evaluated yet in the case of porosities with complex and variable morphology such as those typically observable in PBF-LB/M components. To consolidate the use of tomography on additive manufacturing components, it is hence necessary to adequately verify and improve the accuracy of internal defect measurements. With this objective, the present work concerned the development of a reference sample with the presence of artificial defects designed to be representative of porosities typically generated during the PBF-LB/M process, in terms of both morphology and size. For the calibration of dimensions, volume and shape of artificial pores, a new methodology based on the data fusion technique has been developed, involving the combination of information obtained using different advanced coordinate measurement techniques. The reference sample - of which a prototype made of H13 steel was produced and tested - can be made of different materials and then used to evaluate the accuracy of tomographic measurements of internal defects generated by the PBF-LB/M process, to improve the pores' identification and thresholding procedures, and to determine the measurement uncertainty.

L’utilizzo della fabbricazione additiva (additive manufacturing, AM) per la produzione di componenti industriali di metallo, ed in particolar modo del processo di laser powder bed fusion (PBF-LB/M), sta crescendo rapidamente negli ultimi anni, soprattutto grazie alla capacità di realizzare parti caratterizzate da una elevata complessità geometrica e da buone proprietà meccaniche, consentendo di ottimizzare l’impiego di materiale rispetto alle tecniche produttive convenzionali. Nonostante vi siano molti vantaggi, i componenti realizzati mediante AM sono spesso caratterizzati dalla presenza intrinseca di porosità interne che possono comprometterne la durata in esercizio, in quanto rappresentano siti di potenziale innesco di cricche. Diventa quindi di fondamentale importanza la capacità di individuare, misurare in maniera accurata, e classificare tali porosità, al fine di accrescere il grado di conoscenza del processo di PBF-LB/M e di ottimizzarne i parametri di fabbricazione per ridurre o eliminare la presenza di difetti. La tomografia computerizzata a raggi X ad alta risoluzione è una tecnica di misura non distruttiva che ha potenzialità uniche per la misura dei difetti. Infatti, essa consente di ottenere informazioni tridimensionali complete riguardo alle porosità interne, come morfologia, dimensioni e distribuzione spaziale. L’accuratezza delle misure tomografiche dei difetti interni è stata già studiata in letteratura per porosità sferiche dai diametri compresi tra 0.05 e 0.5 mm, ma non è ancora stata valutata nel caso di porosità dalla morfologia complessa e variabile come quelle tipicamente osservabili in componenti realizzati mediante PBF-LB/M. Per consolidare l’utilizzo della tomografia su componenti della fabbricazione additiva risulta quindi necessario verificare in modo adeguato e migliorare l’accuratezza di misura dei difetti interni. Con questo obiettivo, il presente lavoro ha riguardato lo sviluppo di un campione di riferimento costituito dalla presenza di difetti artificiali progettati con lo scopo di essere rappresentativi delle porosità che generalmente si formano durante il processo di PBF-LB/M, sia dal punto di vista morfologico che delle dimensioni. Per la taratura di dimensioni, volumi, e forma dei pori artificiali è stata sviluppata una nuova metodologia basata sulla tecnica del data fusion, che prevede la combinazione di informazioni ottenute utilizzando differenti tecniche di misura a coordinate avanzate. Il campione di riferimento, di cui è stato realizzato e testato un prototipo in acciaio H13, può essere realizzato in diversi materiali e poi utilizzato per valutare l’accuratezza di misura tomografica dei difetti interni generati dal processo di PBF-LB/M, per migliorare le procedure di identificazione e sogliatura dei pori, e per determinare l’incertezza di misura.