Riassunto analitico
La tecnologia laser powder bed fusion (LPBF) ha ormai raggiunto un significativo livello di maturità commerciale, offrendo soluzioni tra le più affidabili nel panorama dell’additive manufacturing (AM). I componenti vengono realizzati per settori, quali l’automotive e l’aerospazio, che richiedono alte performance oltre ad elevati livelli di qualità. Tuttavia, i processi di AM introducono difettosità che determinano un’alta variabilità delle proprietà meccaniche e una bassa riproducibilità. Ciò comporta la necessità di comprendere a fondo il comportamento dei materiali utilizzati, studiandone la risposta alle diverse tipologie di sollecitazioni tipiche delle applicazioni reali. L’attività di ricerca presentata si basa sull’analisi delle proprietà meccaniche della lega di alluminio AlSi10Mg, largamente impiegata per il buon rapporto tra resistenza e densità. Essendo il trattamento termico applicato uno dei fattori che più influenza le caratteristiche meccaniche e la presenza di difetti nei componenti AM, ci si focalizza sulla comparazione tra le condizioni del materiale as-built e sottoposto a trattamento T6, composto da una fase di solubilizzazione seguita da tempra ed invecchiamento artificiale. Il lavoro di tesi ha inizio con la pianificazione di una estesa campagna sperimentale, comprendente sia prove statiche che a fatica per avere un panorama delle proprietà del materiale sottoposto a sollecitazioni differenti. I provini necessari allo svolgimento dei test sono stati progettati attraverso la piattaforma 3D Experience CATIA, seguendo principalmente le indicazioni delle normative internazionali e, nel caso dei provini sottoposti a sollecitazioni di taglio, ricorrendo a geometrie alternative. Attraverso il software Materialise Magics si procede alla preparazione della stampa dei provini, correggendo errori di mesh nei modelli 3D, posizionandoli sulla piattaforma di stampa, creando supporti laddove necessario e generando il codice STL necessario alla stampa. La realizzazione dei campioni si conclude con una fase di post processing comprendente l'applicazione dei trattamenti termici e lavorazioni al CNC. La campagna sperimentale ha inizio con test statici di trazione e torsione per determinare la resistenza a rottura, resistenza a snervamento, modulo elastico e duttilità del materiale. Ulteriori test di laboratorio vengono svolti per analizzare la variazione di rugosità superficiale dovuta a diverse orientazioni di stampa, la densità relativa ottenuta dal processo di fabbricazione e la durezza (prove Brinell) del materiale. Spesso i componenti reali sperimentano condizioni di carico ciclico nel corso della loro vita utile: per questo motivo la campagna sperimentale si concentra sulla caratterizzazione del comportamento a fatica, sia monoassiale con cicli di carico in trazione-compressione, sia multiassiale con cicli di carico assiali/torsionali in fase. Per ogni caso studio il rapporto di carico scelto è R = -1 e l’obiettivo è la caratterizzazione del materiale nel regime ad alto numero di cicli di vita. Attraverso l’analisi dei dati sperimentali si definiscono le curve di Wöhler delle diverse prove utilizzando modelli di regressione e la resistenza a fatica a 5*10^6 cicli del materiale. Il confronto tra le due condizioni di stampa dei provini permette di determinare l'influenza del trattamento termico T6 sulle proprietà statiche e sulla resistenza a fatica di AlSi10Mg rispetto alla condizione as-built.
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Abstract
Laser powder bed fusion (LPBF) technology has now reached a significant level of commercial maturity, offering some of the most reliable solutions in the additive manufacturing (AM) landscape. Components are manufactured for sectors, such as automotive and aerospace, that demand high performance as well as high levels of quality. However, AM processes introduce defects that result in high variability of mechanical properties and low reproducibility. This entails the need to thoroughly understand the behaviour of the materials used, studying their response to the different types of stresses typical of real applications. The research activity presented is based on the analysis of the mechanical properties of the aluminium alloy AlSi10Mg, which is widely used due to its good strength-to-density ratio. Since the heat treatment applied is one of the factors that most influences the mechanical characteristics and the presence of defects in AM components, the focus is on comparing the conditions of the material as-built and subjected to T6 treatment, consisting of a solubilisation phase followed by hardening and artificial ageing. The thesis work began with the planning of an extensive experimental campaign, including both static and fatigue tests in order to gain an overview of the material properties under different stresses. The test specimens required to carry out the tests were designed using the 3D Experience CATIA platform, mainly following the recommendations of international standards and, in the case of specimens subjected to shear stress, using alternative geometries. The Materialise Magics software is used to prepare the specimens for printing, correcting mesh errors in the 3D models, positioning them on the printing platform, creating supports where necessary and generating the STL code required for printing. The realisation of the samples concludes with a post-processing phase that includes the application of heat treatments and CNC machining. The experimental campaign begins with static tensile and torsion tests to determine the tensile strength, yield strength, elastic modulus and ductility of the material. Further laboratory tests are carried out to analyse the variation in surface roughness due to different printing orientations, the relative density obtained from the manufacturing process and the hardness (Brinell tests) of the material. Real components often experience cyclic loading conditions during their service life: for this reason, the experimental campaign focuses on the characterisation of fatigue behaviour, both uniaxial with tension-compression load cycles and multiaxial with axial/torsional load cycles in phase. For each case study, the chosen load ratio is R = -1 and the objective is the characterisation of the material in the high-cycle regime. Through the analysis of the experimental data, the Wöhler curves of the different tests are defined using regression models and the 5*10^6 cycle fatigue strength of the material. By comparing the two test specimen conditions, the influence of the T6 heat treatment on the static properties and fatigue strength of AlSi10Mg compared to the as-built condition can be determined.
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