Effetto dell'anisotropia indotta dalla manifattura additiva sulla lavorabilità della lega Ti6Al4V

Additive manufacturing of metals is one of the most impacting processes in the fourth industrial revolution thanks to its technological, economic, and ecological competitiveness. In additive manufacturing the material is added instead of being removed, allowing for the fabrication of near-net-shape complex structures. This ensures reducing the material waste and energy consumption, as well as the lead times, resulting in manufacturing costs savings. Moreover, additive manufacturing offers a particularly high economic advantage for producing high-value-added components of difficult-to-machine metals such as titanium alloys, nickel-based superalloys, and alloyed steels. Despite the numerous advantages, among the major drawbacks to overcome there are the poor dimensional tolerance and surface finish that characterize additively manufactured parts. The surface roughness of such parts is determined by a series of interconnected input variables which, overall, lead to roughness values not less than 4 µm. To obtain a functional form and finish, machining operations are thus required. However, cutting processes can be influenced by the peculiar microstructure of additively manufactured parts. The multiple thermal phenomena taking place during the additive manufacturing process give rise to a microstructural anisotropy and phase distribution differentiating these alloys from the equivalent ones conventionally manufactured. The machinability of parts fabricated via additive manufacturing technologies has recently aroused the interest of the scientific community working on metal machining. According to the literature, it is still not possible to have a clear insight into the effect of the additive manufacturing process on machinability for a given alloy. This limit would be overcome if the mechanics of chip formation would be studied in relation to the microstructural features deriving from the additive manufacturing process. Therefore, more efforts must be put to investigate how machinability is influenced by this type of technology. The work conducted in this Ph.D. research project pointed out the influence of the microstructural anisotropy of additively manufactured Ti6Al4V titanium alloy on its machinability. The results were analyzed considering the microstructural features interaction with the cutting edge under different cutting conditions. The first part of this thesis is focused on the evaluation of the effect of the microstructural anisotropy in different milling operations, namely slot milling with flat end mills and ball end milling. The different cutting operations were investigated at varying the build-up direction of the additively manufactured parts, and the inclination of the machined surface. The second part of the thesis deals with turning operations at varying the cutting direction and cooling condition. The surface integrity was the main parameter considered to evaluate the machinability, including surface topography, surface defects, microstructural and mechanical alterations. The chip morphology, the cutting forces, and the tool wear were considered as well. It was found that discontinuity zones in the microstructure, typical of the alloy under examination, are the main microstructural feature affecting their machinability. They help the material removal when favorably oriented with respect to the tool cutting edge. This leads to reduced cutting forces, increased tool life and improved surface finish. This Ph.D. thesis aims at finding a systematic method to understand the effect of additive manufactured-induced anisotropy on machinability. The results obtained can be implemented by industries involved in the use of this technology to improve process efficiency and product quality.

La manifattura additiva dei metalli è uno dei processi più impattanti della quarta rivoluzione industriale grazie alla sua competitività tecnologica, economica ed ecologica. Nella produzione additiva il materiale viene aggiunto invece che rimosso, consentendo la fabbricazione di strutture complesse near-net-shape. Ciò permette di ridurre gli sprechi di materiale, il consumo di energia e i tempi di consegna, con conseguente risparmio sui costi di produzione. La produzione additiva offre un rilevante vantaggio economico per la produzione di componenti ad alto valore aggiunto in materiale metallico difficile da lavorare come le leghe di titanio, le superleghe di nichel e gli acciai legati. Nonostante i numerosi vantaggi, tra le maggiori criticità vi sono la scarsa tolleranza dimensionale e finitura superficiale che caratterizzano le parti fabbricate in modo additivo. La rugosità superficiale di tali parti è determinata da una serie di variabili di input interconnesse che, complessivamente, portano a valori di rugosità non inferiori a 4 µm. Per ottenere forme e finiture funzionali sono quindi necessarie operazioni di lavorazione di asportazione. Tuttavia, i processi di taglio possono essere influenzati dalla peculiare microstruttura delle parti prodotte in modo additivo. I molteplici fenomeni termici che si verificano durante il processo di produzione additiva danno luogo a un'anisotropia microstrutturale e a una distribuzione di fase tale da differenziare queste leghe da quelle equivalenti prodotte convenzionalmente. La lavorabilità di parti fabbricate con tecnologie additive ha recentemente suscitato l'interesse della comunità scientifica che studia la lavorazione dei metalli. Da letteratura, non è ancora possibile delineare l'effetto del processo di produzione additiva sulla lavorabilità per una data lega. Tale limite verrebbe superato se si studiasse la meccanica di formazione del truciolo in relazione alle caratteristiche microstrutturali derivanti dal processo di fabbricazione additiva. Il lavoro svolto in questo dottorato di ricerca ha evidenziato l'influenza dell'anisotropia microstrutturale della lega di titanio Ti6Al4V prodotta in modo additivo sulla sua lavorabilità. I risultati sono stati analizzati considerando l'interazione della microstruttura della lega con il tagliente dell’utensile al variare delle condizioni di taglio. La prima parte di questa tesi è focalizzata sulla valutazione dell'effetto dell'anisotropia microstrutturale in diverse operazioni di fresatura, ovvero scanalatura con fresa piana e finitura con fresa sferica. Le diverse operazioni di taglio sono state studiate al variare della direzione di costruzione dei pezzi fabbricati con manifattura additiva e dell'inclinazione della superficie lavorata. La seconda parte della tesi tratta delle operazioni di tornitura al variare della direzione di taglio e della tipologia di lubrorefrigerante. L’integrità superficiale è stato il parametro principalmente utilizzato per valutare la lavorabilità, includendo la topografia e i difetti superficiali, le alterazioni microstrutturali e meccaniche. Sono state considerate inoltre la morfologia del truciolo, le forze di taglio e l'usura dell'utensile. Si è riscontrato che zone di discontinuità nella microstruttura, tipiche della lega in esame, costituiscono la principale caratteristica microstrutturale che ne influenza la lavorabilità. Esse favoriscono l'asportazione di materiale se orientate favorevolmente rispetto al tagliente dell'utensile. Ciò porta alla diminuzione delle forze di taglio, all’aumento della vita dell’utensile e al miglioramento della finitura superficiale. Questa tesi si propone di trovare un metodo sistematico per comprendere l'effetto dell'anisotropia indotta dalla manifattura additiva sulla lavorabilità. I risultati ottenuti possono essere applicati nelle industrie che utilizzano tale tecnologia per aumentare l'efficienza del processo e la qualità del prodotto.