Additive manufacturing through micro direct laser metal deposition technology: influence of the material and process parameters on the product quality

Direct Laser Metal Deposition is a laser based Additive Manufacturing technology that is finding a growing employment and industrial application in sectors such as aerospace, automotive, biomedical, and electronics. Its great success is mainly related to its great capability to manufacture a wide range of material (both metals and ceramics) and its potentiality to confer a high degree of geometrical complexity to the realized artefacts. Part of its wide industrial diffusion is related to its great flexibility and versatility, which allow different process operations at time such as coating, repairing, and additively manufacturing new components as well. Research works, patents and developments of new Direct Laser Metal Deposition systems applied at the macro-scale represent a relevant part of the current State of the Art in metal Additive Manufacturing technologies. Nevertheless, to the best of Author’s knowledge, no research activities were carried out on the feasibility of Direct Laser Metal Deposition process applied at the micro-scale. This Ph.D. research work deals with the application of the Direct Laser Metal Deposition process at the micro-scale. The feasibility and the technical issues in downscaling the technology from macro to micro are discussed and analysed. The main parameters affecting the process are identified and their influence on the dimensional accuracy, structural integrity, surface roughness, and internal porosity of realized micro artefacts is investigated. The experimental results show the feasibility in applying the Direct Laser Metal Deposition process at the micro-scale thanks to the assumption of a new building approach for the artefact realization. The deposition of 3D full dense artefacts with very low surface roughness and a limited “stepwise” effect is demonstrated. Moreover, it is underlined the need of a new deposition nozzle concepts to increase the powder deposition efficiency and to ensure a high powder particle mass concentration in correspondence to the molten pool. This Ph.D. thesis is the first research work investigating the feasibility and application of the Direct Laser Metal Deposition technology at the micro-scale, representing a significant step forward in the development of the Manudirect ® MSL50 machine and providing a great contribution in terms of research activities in the field of Additive Manufacturing.

Direct Laser Metal Deposition è una tecnologia additiva appartenente alla famiglia delle Direct Laser Deposition Technologies, dove il componente viene realizzato in modo additivo, strato dopo strato e senza l’utilizzo di utensili da taglio, attraverso l’impiego di una sorgente laser che localmente interagisce con polvere metallica depositata in modo diretto. L’interesse attorno a questa tecnologia è cresciuto in modo sostanziale negli ultimi anni, trovando sempre maggiore impiego in settori industriali quali l’aerospaziale, l’automobilistico, il biomedicale e l’elettronico. Grazie alle sue caratteristiche tecnologiche non convenzionali e alle sue uniche potenzialità, il processo di Direct Laser Metal Deposition combina l’elevata complessità geometrica conferita al prodotto alla possibilità di processare un’ampia gamma di materiali metallici, spaziando dalle leghe di Titanio a quelle di Nickel, dalle leghe di Rame ai Cermet. Un ulteriore aspetto e vantaggio tecnologico correlato con questa tecnologia riguarda la sua forte flessibilità e versatilità nel prestarsi ad essere impiegata in diversi processi tecnologici quali: coating, repairing e, non per ultimo, Additive Manufacturing. Ad oggi, l’attività scientifica in ambito Additive Manufacturing di metalli si focalizza principalmente sull’analisi dell’applicazione del processo di Direct Laser Metal Deposition su scala macro-metrica, in quanto, assieme alla tecnologia di Selective Laser Melting, risulta essere la tecnologia che riscuote maggior interesse in ambito scientifico-industriale. Tuttavia, ad oggi, poca attenzione è stata rivolta nell’analizzare l’applicabilità di tale processo su scala micro-metrica. La possibilità di produrre parti dall’elevata complessità geometrica e dal costo relativamente contenuto, attraverso la deposizione di materiali innovativi e difficilmente lavorabili per le tecnologie tradizionali (quali fresatura e tornitura per esempio), aprirebbe nuovi fronti applicativi e tecnologici a forte vantaggio di settori quali il biomedicale o l’elettronico dove la produzione di micro-componenti ad oggi trova forti limitazioni in termini di costi di produzione e fattibilità del componente. Questo lavoro di ricerca, quindi, si prefigge l’obiettivo di analizzare l’applicabilità della tecnologia di Direct Laser Metal Deposition su scala micro-metrica. La fattibilità e le problematiche tecnico-processuali legate allo “down-scaling” di tale processo da una scala macro ad una micro vengono trattate ed analizzate, investigando come i parametri di processo influenzino l’accuratezza dimensionale, la finitura superficiale e l’integrità strutturale della parte realizzata per Additive Manufacturing. Inoltre, tale attività ha lo scopo di dimostrare la fattibilità nel realizzare micro-strutture massive full-dense con un ottima rugosità superficiale, identificando le maggiori problematiche a livello processuale e proponendo nuovi futuri sviluppi miranti al miglioramento di tale tecnologia in ambito micro. Il lavoro di ricerca qui presentato rappresenta una forte spinta motivazionale ed innovativa all’ esplorazione della tecnologia di Direct Laser Metal Deposition applicata nel micro Additive Manufacturing di metalli, in particolare nel motivare futuri ricercatori nello sviluppare e migliorare le performance sistemi già esistenti come quello impiegato in questo progetto (sistema per micro-lavorazioni additive Manudirect ® MSL50).