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Presentazione power point tesi triennale Simone Talento
- 1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Tesi di Laurea in Ingegneria Meccanica a.a. 2017/2018 Analisi di schiume metalliche a celle aperte realizzate con Selective Laser Melting Relatore: Candidato: Prof. Fabrizia Caiazzo Correlatore: Prof. Vittorio Alfieri Simone Talento Matr. 6123/2479 1
- 2. Sommario Background Procedura sperimentale Risultati Conclusioni Additive manufacturing Le schiume metalliche Algoritmo di progettazione Sistema EOSINT M270 e GP1 2
- 3. 3
- 4. Sistemi additivi per componenti metallici Dal Wohlers Report pubblicato il 27 Marzo 2018 4
- 5. Schiume metalliche A cella aperte A celle chiuse Fonte: Michele Monno, Valerio Mussi • Laboratorio MUSP - Macchine Utensili e Sistemi di Produzione – Gennaio 2007 – pag.69 5
- 6. 6
- 7. Principali caratteristiche e applicazioni •Strutture più leggere senza sacrificare la tenacità Eccellente rapporto resistenza-peso •Migliore protezione passiva in veicoli civili e militari Ottimo assorbitore di energia •Silenziatori per armi e supporti catalitici Elevata capacità di attenuazione delle onde sonore •Scambiatori di calore più performanti Alto rapporto superficie-volume •Protesi ossee Idoneità per la creazione di inserti biocompatibili curva sforzo-deformazione per una schiuma metallica in un test di compressione 7
- 9. Procedura sperimentale Algoritmo di progettazione delle schiuma metallica a cella aperte ALGORITMO FILE .STL FILE CAD STAMPA PARAMETRI DI PROGETTO: •Dimensioni provino (altezza, diametro di base) •Porosità ⍴% (o volume di vuoto) PARAMETRI DI MANUFACTURABILITY: •Diametri pori min e max (φmin - φmax) ANALISI DEL PROVINO 9
- 10. Cr Ni Cu Mo Mn≤ Si≤ P≤ S≤ C≤ Fe 15÷17 3÷5 3÷5 0.6 1.5 0.7 0.04 0.03 0.07 bilancio Volume di costruzione 250x250x215 (mm) Velocità di costruzione 2-20 mm3/s Laser Yb – fibra, 200 W Potenza assorbita Max 5,5 kW Composizione nominale della polvere GP1 EOSINT M270 10
- 12. Risultati 12
- 14. n. Poro Misura diametro al CAD Misurazioni diametro al microscopio (mm) Diametro medio del poro al microscopio Scostament o percentuale rispetto alle misure CAD 1 0.46 0,947 0,826 0,864 0.879 91% 2 1.81 1,880 1,978 1,472 2.11 17% 3 2.62 2,638 2,835 2,903 2.792 7% 4 2.87 2,873 3,012 2,842 2.909 1% 5 2.88 2,989 2,869 3,091 2.983 3% 6 2.91 3,050 3,039 3,110 3.066 5% 7 3.51 3,830 3,801 3,751 3.794 8% 8 4.13 4,136 4,116 4,117 4.123 0% 9 4.37 4,435 4,521 4,385 4.447 1% 10 4.38 4,409 4,329 4,369 4.369 0% 11 4.81 4,824 4,944 4,949 4.919 2% 12 6.00 6,164 6,144 6,204 6.170 3% 14
- 15. Poro1 Poro 2 Poro 3 Poro 4 Poro 5 Poro 6 Poro 7 Poro 8 Poro 10 Poro 9 Poro 11 Poro 12 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 1 2 3 4 5 6 7 Scostamento% Diametro 15
- 16. Poro 2 Poro 3 Poro 4 Poro 5 Poro 6 Poro 7 Poro 8 Poro 9 Poro 10 Poro 11 Poro 12 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 0 1 2 3 4 5 6 7 SCOSTAMENT0% DIAMETRO (MILLIMETRI) 1.81 2.62 2.87 2.88 2.91 3.51 4.13 4.37 4.38 4.81 6 ε 16
- 19. 19
- 20. Taglio della schiuma A Porzione 3 Porzione 1 Porzione 2 20
- 22. Cr Ni Cu Mn Si Fe Fitting Coefficient Composizione nominale 15-17,5 3-5 3-5 1≤ 1≤ bilancio Sito 1 16.20 4.61 4.21 0.68 0.68 73.61 0.011 Sito 2 16.16 4.35 4.60 0.73 0.66 73.49 0.025 Sito 3 16.26 4.30 4.12 0.70 0.70 73.92 0.022 Sito 4 16.14 4.44 4.06 0.64 0.63 74.09 0.021 Sito 5 16.18 4.51 4.36 0.69 0.65 73.61 0.013 Sito 6 16.25 4.49 4.34 0.76 0.65 73.51 0.019 Composizione media 16.20 4.45 4.28 0.70 0.66 73.71 Deviazione standard 0.04 0.10 0.18 0.04 0.02 0.22 Tabella riassuntiva (i valori sono in percentuale di massa) 22
- 23. Conclusioni Componenti omogenei Pr. Manufacturability: Φmin ≥ 0.90 mm τ ≥ 0.60 mm Possibili miglioramenti futuri di questo lavoro… Deviazione standard 23
- 24. 24
Editor's Notes
- Obbiettivi dell’analisi sono 1 il controllo qualità del processo di realizzazione delle schiume 2 la modifica necessario dell’algoritmo di progettazione Infine 3 il controllo della composizione chimica delle schiume
- Prima di entrare nel core di questo elaborato è opportuno dedicare alcuni minuti a descrivere il background in cui si innesta questo lavoro: si accennerà a… Scopo del cap. procedura sperimentale di fornire al lettore tutte le informazioni al contorno per avere una visione più chiara e facilitare la lettura
- Il SLM è una delle tecniche dell AM più recenti e più tecnologicamente avanzate Questa vignetta di foierbechiana memoria illustra molto bene e in maniera simpatica quello che è l’approccio additive, che si basa sulla produzione stratificata, layer by layer viene costruito l’oggetto, con spessore di layer che possono raggiungere i 1’ micron Le maggiori potenzialità della produzione additiva sono: -possibilità di produrre oggetti con geometrie complesse non altrimenti realizzabili in un pezzo unico con le tecniche tradizionali che si basano sull’idea classica della sottrazione dal pieno -ottimizzazione topologica per un minore impiego di materie prime, -permette la realizzazione di prodotti personalizzati senza costi aggiuntivi e senza dover attrezzare diversamente la macchina. nuove regole di progettazione
- Tale grafico illustra una cosa molto chiara: l’industria dell’additive sta crescendo a pieno ritmo Secondo il nuovo rapporto, nel 2017 sono stati venduti 1.768 sistemi AM metallici, rispetto ai 983 sistemi del 2016, con un incremento di quasi l'80%. Questo è di gran lunga il più grande aumento mai registrato in un anno dal 2000 Questi numeri mostrano che i produttori di tutto il mondo stanno scoprendo i vantaggi della produzione additiva. Wohlers Associates. vanta di pubblicare il rapporto globale leader del settore sullo stato dell'industria della produzione additiva (AM) ha il vanto inoltre di aver sviluppato quella che si ritiene essere la più grande rete mondiale di contatti professionali nel settore
- Le schiume metalliche sono materiali cellulari leggeri ispirati alla natura. OSSA Citando Einstein “Ogni cosa che puoi immaginare, la natura l’ha già creata”. Volendo dare una definizione di schiuma metallica possiamo quindi dire che si tratta di una dispersione uniforme di un gas all’interno di una matrice metallica, pertanto esse sono generalmente materiali bifasici, in cui una fase solida coesiste con una fase gassosa.
- Le applicazioni sono innumerevoli, perche possiedono un ampio ventaglio di propietà interessanti
- I miglioramenti riguardanti il tema della sicurezza attiva e passiva per gli autoveicoli conducono ad un incremento del peso complessivo del veicolo stesso, in contrasto con l’esigenza di riduzione del consumo di combustibile e delle conseguenti emissioni di gas serra. Per questo motivo i materiali che presentano una bassa massa volumica ed un’elevata capacità di assorbimento energetico assumono un ruolo fondamentale in ambito progettuale per tale proprietà è indicato per la realizzazione di componenti collassabili ad assorbimento di energia. Combinato con alte capacità di incrementare la turbolenza e il miscelamento del fluido che vi fluisce Infine schiume correttamente progettate possono fungere da scaffolds artificiali nel campo dell’ingegneria tissutale
- Qui si allegano le fotografie delle schiume oggetto della nostra analisi
- L’algoritmo (considerato come una black box) prevede l’inserimento di dati input di diversa natura: parametri di progetto, ovvero quei parametri dettati dalla natura del progetto da realizzare che rimangono fissi anche al variare della macchina utilizzata, e parametri di manufacturability che sono quei parametri che variano al variare della macchina utilizzata, essi sono inscindibili dalla macchina perché legati alle caratteristiche della stessa. Il file STL (Standard Triangulation Language To Layer) è uno standard grafico che descrive l'oggetto tramite una decomposizione in triangoli delle superfici che lo compongono. In pratica le superfici del pezzo vengono meshate con elementi triangolari. Approssimativamente il numero di questi triangoli è tanto maggiore quanto meglio si vuole approssimare la superficie. Lo standard STL fu sviluppato inizialmente dalla "3D Systems" ed è attualmente lo standard accettato da quasi tutti i sistemi di fabbricazione additiva. eseguire lo slicing, cioè generare le "fette" che sovrapposte le une alle altre daranno vita al solido finale.
- I provini sono stati realizzati attraverso il sistema di sinterizzazione laser EOSINT M270 ed equipaggiata con un laser a fibra di itterbio ad una lunghezza d’onda di 1064 nm. L’azienda EOS ha sviluppato tecnologie e processi per la prototipazione rapida sin dal 1989. Oggi EOS è il produttore leader mondiale di sistemi di sinterizzazione laser. EOS ha sviluppato nuove leghe per il processo di SLM come l’acciaio inossidabile GP1 utilizzato. La sua composizione corrisponde alla classificazione americana AISI 630, Questo tipo di acciaio si caratterizza per avere buona resistenza alla corrosione ed eccellente duttilità nello stato di elaborazione laser.
- La polvere GP1 della EOS è un acciaio inossidabile in forma di polvere fine di forma sferica, tale forma è fondamentale per un ottima compattazione della polvere e per una fusione del letto di polvere ottimale.
- Sono stati misurati tutti i pori dei provini
- Le acquisizioni sono state eseguite Attraverso stereomicroscopio che vediamo in figura I rivelamenti dei diametri dei pori sono stati ripetuti tre volte per ciascun poro e poi calcolata la media aritmetica,
- è stata usata questa procedura perché le misure dei diametri venivano acquisite mediante circonferenza passante per tre punti, pertanto si è pensato di fare più misure di uno stesso poro cambiando gli ancoraggi al fine di rendere maggiormente precise le misure eseguite. Tali misurazioni sono state poi confrontate con le dimensioni reali dei pori dal CAD di partenza ,e valutato lo scostamento percentuale di ognuno di essi In rosso sono evidenziati quei pori che superano il limite massimo ingegneristicamente accettato del 5% si presterà attenzione proprio a questi pori allo scopo di evidenziare la presenza eventuali errori di realizzazione.
- I valori in tabella si riportano sotto forma di grafico Osservando il poro 1 possiamo subito affermare che il processo di stampa non riesce a realizzare pori di diametro minor uguali a 0.46 mm o meglio li realizza ma con diametro quasi doppio (lo scostamento risulta infatti del 91%) pertanto si dovrà modificare l’algoritmo tenendo presente questo nuovo vincolo sul ϕmin realizzabile, a scopo cautelativo si imposta il ϕmin pari al diametro misurato al CAD, approssimativamente 0,90mm.
- Proprio i pori 2 3 e 7 che superano il valore eps segnato fanno parte di due zone particolari del provino
- Queste due aree hanno la particolarità che, mentre nel file Cad sono zone con uno spessore di parete integro strutturalmente che divide i pori adiacenti, nel provino reale queste spessore è collassato e pertanto i pori di competenza non risultano separati mediante struttura interstiziale ma uniti. andando a maggiorare l’area dei pori andando ad aumentare i valore dello scostamento
- È opportuno pertanto che, per evitare pori che superino il valore limite ε dello scostamento dobbiamo evitare che si creino zone di collasso, in quanto zone degeneri come queste causano un intensificarsi dello scostamento, pertanto si deve caratterizzare un valore minimo che lo spessore di parete deve assumere affinché rimanga integro dopo il processo di stampa. Per caratterizzare tale valore si procede con alcune osservazioni dei file CAD.
- il nuovo parametro da inserire nell’algoritmo che chiameremo spessore di parete, che in seguito indicheremo come τ, sarà un valore compreso nell’intervallo definito da 0.28mm (massimo spessore collassato rilevato) e 0.60mm (minimo spessore integro rilevato), cautelativamente possiamo impostare il valore dell’estremo superiore dell’intervallo cosi da assicurarci l’assenza di collassi non voluti nella struttura del campione.
- Inoltre successivamente è stata svolta la microanalisi di una parte del provino (Porzione 3) La microanalisi ha avuto luogo su sei siti diversi
- Sulle asse verticale sono situati i “counts” tradotto “conti”, in sostanza il valore in ordinata va ad indicare la concentrazione,, di quell elettrone nella lega. Sulle ascisse troviamo i kiloelettronvolt (keV), l’elettronvolt si usa per esprimere l'energia di legame di un elettrone in un orbitale atomico. Pertanto l’atomo di ferro che ha più di un elettrone attorno al suo orbitale, è più volte richiamato sull’asse delle ascisse per diversi valori di keV, Ciò vuol dire che ogni indicazione del ferro sull’asse delle ascisse indica un preciso elettrone dell’atomo, sono richiamati 4 elettroni diversi per il ferro. In definitiva lo spettro va a differenziare gli elettroni di uno stesso atomo e conteggia la loro presenza nella lega.
- Sono riportate nella prima riga le composizione nominali della lega così da poter essere velocemente confrontare con le composizione di ciascun sito disposte nelle righe sottostanti. Di fianco ad ogni riga indicante la composizione di ciascun sito vi è una colonna che riporta il fitting coefficient, Il fitting coefficient (coefficiente di adattamento) è un valore molto importante per la spettrometria. Esso varia da 0 a 1 e quanto più tale coefficiente si avvicina a zero, tanto più indica una migliore aderenza dello spettro misurato rispetto allo spettro teorico Nelle due ultime righe della tabella sono riportate le percentuali della composizione media di ogni elemento essa però non da indicazioni di quanto un generico elemento può differire dal suo valor medio. e la deviazione standard che identifica la dispersione dei valori della variabile X attorno al valor medio. Tanto più piccola è la varianza, tanto più i valori della variabile sono concentrati attorno al valor medio, i valori bassi di quest’ultima riga ci permettono di dire che la composizione chimica della porzione 3 analizzata è molto aderente alla composizione nominale delle polveri, pertanto è lecito affermare che le schiume realizzate tramite processo SLM risultano componenti omogenei,
- Dalle misurazioni svolte, infatti, si è palesata la necessità di effettuare alcune modifica dei parametri di manufacturability atti a migliorare tale algoritmo. Come il ϕmin dei pori, esso deve essere almeno maggiore uguale di 0.90mm in quanto con un diametro più piccolo il processo di stampa realizzerà un poro completamente degenere e non aderente ai valori forniti dal CAD. Inoltre si è manifestata l’esigenza di un nuovo parametro da immettere, τ, lo spessore di parete minimo tra due pori, esso ci garantisce che i pori adiacenti rispettino le tolleranze fornite dal CAD, in quanto un spessore al di sotto di tale valore collasserebbe nel processo di stampa, andando a maggiorare indesideratamente l’area dei pori. -Inoltre…..rendono possibile affermare che le schiume realizzate attraverso il SLM, sono componenti omogenei, una proprietà che non compete a tutte le tecnologie additive, Innanzitutto Per completare questo lavoro bisognerà prima verificare la bontà delle modifiche apportate attraverso la realizzazione di un altro campione Possibili miglioramenti futuri di questo lavoro comprendono una caratterizzazione meccanica, attraverso prove statiche e a fatica delle schiume, e uno studio più completo sui meccanismi responsabili del consolidamento delle polveri, perché solo con la comprensione di tali meccanismi è possibile governare pienamente i parametri di processo al fine di ottenere i prodotti finali in condizioni di efficienza energetica e con caratteristiche ottimizzate. Infine si consiglia uno studio sulle caratteristiche fluidodinamiche e di scambio termico di tali materiali, magari mediante simulazione numerica del deflusso di aria