Ricerca sull'Ottimizzazione dei Parametri di Processo nella Fusione Laser Selettiva

In this work the process optimization of the Selective Laser Melting technology has been investigated in order to develop a systematic multiobjective method for the process parameters selection. Without limiting the generality, the study has been conducted on the Ti6Al4V ELI titanium alloy, and given the particular suitability of the SLM technique for the production of small parts characterized by detailed features, the condition selected to develop and test the general methodology for process parameters optimization is characterized by a small laser spot of 50 µm of diameter and a thin layer thickness of 25 µm. In order to pursue the objective set, an experimental analysis of the single scan tracks has been firstly performed according to the full factorial approach, varying the laser power on 8 equidistant levels in the range between 50 W and 400 W, and the scan speed on 10 equidistant levels in the range between 250 mm/s to 2500 mm/s. Unlike other similar studies, in which the tracks have been scanned on a premachined base, in this work it was decided to resort to the use of a substrate consisting of bases produced during the same process in which the tracks were scanned in order to reproduce as closely as possible the conditions that occur during production. The specimens obtained have been then classified from the morphological point of view identifying five classes representative of the track shape and of the melting quality in the case of the single scan, and have been analyzed by means of a scanning electron microscope for studying and modeling the geometrical characteristics of the tracks such as the width, the height, the depth and the contact angle with respect to the solid substrate as the laser power and the scanning speed vary. On the basis of the results obtained in the first phase, the most promising region of the explored factorial plan has been then selected, and a further experimental campaign focused on the analysis of solid samples has been conducted. This time also the overlapping rate between the tracks and the scanning strategy have been included as factors. More precisely, the former was varied on two levels, corresponding to 20 % and 30 % of the measured single track width, while the latter was considered distinguishing between continuous exposure strategy and islands exposure strategy. In this way it was possible to define the applicable criteria for the evaluation of the products quality and to determine the influencing factors related to them, to elaborate a systematic method for the analysis and the classification of the samples used for the optimization, and to develop a multiobjective algorithm to select the most suitable process parameters. At the same time, the applied method have led to the identification of the optimal process parameters for the manufacture of small parts in Ti6Al4V ELI titanium alloy by means of the SLM technology.

In questa tesi è stato trattato il tema dell'ottimizzazione di processo della tecnologia Selective Laser Melting con il fine di elaborare un metodo sistematico multiobiettivo per la selezione dei parametri di processo. Pur senza voler perdere in generalità, lo studio è stato condotto sulla lega di titanio Ti6Al4V ELI, e data la particolare idoneità della tecnologia SLM per la produzione di parti piccole caratterizzate da feature dettagliate, la metodologia in oggetto è stata sviluppata e testata in condizioni caratterizzate da uno spot del laser di piccole dimensioni, ovvero di diametro pari a 50 µm, e ridotto spessore dei layer, pari a 25 µm. Al fine di perseguire l'obiettivo prefissato è stato dapprima eseguito uno studio della singola traccia fusa secondo l'approccio sperimentale fattoriale, facendo variare la potenza del laser su 8 livelli equidistanziati nell'intervallo compreso tra 50 W e 400 W, e la velocità di scansione su 10 livelli equidistanziati nell'intervallo compreso tra 250 mm/s e 2500 mm/s. A differenza di altri studi analoghi, nei quali le tracce sono state prodotte su una base prelavorata, in questo lavoro è stato scelto di ricorrere all'impiego di un sottostrato costituito da basi prodotte nel corso dello stesso processo in cui sono state scansionate le tracce in modo da riprodurre quanto più fedelmente possibile le condizioni che si verificano durante la lavorazione. I provini così ottenuti sono stati classificati dal punto di vista morfologico individuando cinque classi rappresentative della conformazione e della qualità della fusione riferita alla singola scansione, e sono stati analizzati mediante microscopio elettronico a scansione per studiare le caratteristiche geometriche delle tracce, quali la larghezza, l'altezza, la profondità e l'angolo di contatto con il sottostrato solido, ed elaborare i modelli statistici che le descrivono al variare della potenza del laser e della velocità di scansione. Sulla base dei risultati ottenuti nella prima fase è stata dunque selezionata la regione del piano fattoriale esplorato qualitativamente più promettente, ed è stata condotta un'ulteriore campagna sperimentale incentrata sull'analisi di campioni solidi, nella quale sono stati inclusi come fattori anche il tasso di sovrapposizione tra le tracce e la strategia di scansione. Più precisamente, il primo è stato fatto variare su due livelli, corrispondenti al 20 % ed al 30 % della larghezza misurata della traccia fusa, mentre il secondo è stato incluso distinguendo tra strategia di scansione continua e strategia di scansione ad isole. In questo modo è stato possibile definire dei criteri applicabili per la valutazione della qualità dei prodotti e determinare i fattori di influenza ad essi relativi, elaborare un metodo sistematico di analisi e classificazione dei campioni impiegati per l'ottimizzazione, e sviluppare un algoritmo di sintesi multiobiettivo per la selezione dei parametri di processo più idonei. Contestualmente il metodo applicato ha condotto all'identificazione dei parametri ottimali per la fabbricazione di parti piccole in lega di titanio Ti6Al4V ELI mediante tecnologia SLM.