Sviluppo e Industrializzazione di una macchina LPF e validazione attraverso l'ottimizzazione dei parametri di processo di Ottone CuZn42 e Acciaio Armonico C67

The additive manufacturing technologies, from their birth to the first industrial applications, made a big jump in terms of hardware and material development. The continuing research for new markets along with a growing demand have made sure that the costs of such technologies have become more accessible. From the using of polymers to do prototypes to metal powders to do real mechanical parts the concepts are always the same, building the part layer by layer. In terms of money from the eighties to present days the 3D printing process maintain a positive trend with much more increases for the future. In terms of monetary and energy flows during the production of complex parts, the additive manufacturing technologies can have positive increments. Thus the adoption of Additive Manufacturing also simplifies measurement of the manufacturing energy consumption for life cycle inventory assessments. In many traditional supply chains, where reliable estimates of cumulative energy consumption may be unavailable, the adoption of AM allows producers to provide their customers with reliable data on the energy embedded into products or component during the manufacturing stage. It has been shown that selecting the minimum cost configuration in Additive Manufacturing is likely to lead to the secondary effect of minimizing process energy consumption. My PhD thesis will discuss a specific additive manufacturing technology, based on the powder bed fusion process using a LASER as a melting source. The main construction components present in the prototype machine will be analyzed, looking for the main critical issues (filtering and powder recovery system, black powder abatement system, in-chamber gas flow, measurement of load losses in the characteristic sections of the plant, powder collection system, distribution and powder deposition system on the printing plate) and, if these cause a crash or an irregularity in the quality in the printed component, a radical modification or replacement of this component will develop. Once the mechanical stability of the entire machine has been verified, the mechanical properties of the samples obtained with stainless steel X2CrNiMo17-12-2 - AISI316L, CuZn42 brass powder and C67 steel - Tempered steel will be analyzed. The main mechanical properties required for a component built for additive manufacturing are in terms of mechanical strength porosity, density, hardness, ultimate tensile strength, and yield tension. Measurements of the density of the specimen will be carried out by measuring the relative volumetric density by Archimedes method. Subsequently, the quality of surface roughness will be measured through the acquisition of maps by means of an optical microscope and through an image analysis software the average surface roughness will then be measured. The same sample will then be used to measure the average hardness of the material by means of a durometer. To test the ultimate tensile strength and the yield strength, samples with circular section will be produced to which an analog extensometer will be mounted. Data processing software processes the strain -strain curve.

Le tecnologie di costruzione additiva, dalla loro nascita alle prime applicazioni industriali, hanno fatto un grande salto in termini di sviluppo di hardware e materiali. La continua ricerca di nuovi mercati e la crescente domanda hanno reso più accessibili i costi di tali tecnologie. Dall'uso dei polimeri per fare prototipi alle polveri metalliche per fare parti meccaniche reali i concetti sono sempre gli stessi, costruendo la parte strato per strato. In termini di denaro dagli anni Ottanta ad oggi il processo di stampa 3D mantiene un trend positivo con molti più aumenti per il futuro. In termini di flussi monetari ed energetici durante la produzione di parti complesse, le tecnologie di costruzione additiva possono avere incrementi positivi. Con le tecnologie di costruzione additiva viene anche preso in considerazione l’aspetto legato alla misurazione del consumo energetico di produzione per le valutazioni dell'inventario del ciclo di vita. [2] In molte catene di produzione tradizionali, dove stime affidabili del consumo energetico potrebbero non essere disponibili, l'adozione della tecnologia per costruzione additiva consente ai produttori di fornire ai propri clienti dati affidabili sull'energia incorporata nei prodotti o nei componenti durante la fase di produzione. [2] È stato dimostrato che la selezione della configurazione dei costi minimi in Additive Manufacturing potrebbe portare all'effetto secondario della riduzione al minimo del consumo energetico di processo. [2] La mia tesi di dottorato discuterà una specifica tecnologia di produzione additiva, basata sul processo di fusione del letto in polvere utilizzando un LASER come fonte di fusione. Verranno analizzate le principali componenti costruttive presenti nella macchina prototipo, cercandone le principali criticità (sistema di filtraggio e recupero delle polveri, abbattimento polvere nera, flusso del gas in camera, misura delle perdite di carico nei tratti caratteristici dell’impianto, sistema di raccolta delle polveri, sistema di distribuzione e di deposizione delle polveri sul piatto di stampa) e, nel caso queste causino un arresto anomalo oppure un’irregolarità nella qualità nel componente stampato, se ne svilupperà una modifica oppure una sostituzione radicale del componente in esame. Verificata la stabilità meccanica dell’intera macchina verranno analizzate le proprietà meccaniche dei campioni ottenuti con acciaio inossidabile X2CrNiMo17-12-2 - AISI316L, polvere di ottone CuZn42 e acciaio C67 - Acciaio Temperato. Le principali proprietà meccaniche richieste per un componente costruito per costruzione additiva sono in termini di resistenza meccanica porosità, densità, durezza Brinell, carico a rottura e tensione di snervamento. In particolare, verranno effettuati dei rilevamenti della densità del provino mediante misurazione della densità volumetrica relativa con metodo di Archimede. Successivamente verrà stabilita la bontà della rugosità superficiale attraverso acquisizione di mappe per mezzo di un microscopio ottico e attraverso un software per l’analisi d’immagine ne verrà poi misurata la rugosità superficiale media. Lo stesso campione verrà poi utilizzato per misurare la durezza media del materiale per mezzo di un durometro. Per testare il carico a rottura e il limite di snervamento verranno prodotti dei campioni con geometria ad osso di cane a sezione circolare a cui verrà montato un estensimetro analogico. Il software di elaborazione dei dati elabora la curva sforzo – deformazione.