Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Studio e ottimizzazione del processo di fabbricazione additiva (SLM) per applicazioni in ambito biomedicale: produzione di protesi e strutture reticolari

Il progetto di dottorato che verrà presentato in questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un metodo sperimentale per la produzione di protesi personalizzate utilizzando il processo di fabbricazione additiva di Selective Laser Melting (SLM). L’obiettivo è quello di definire una condizione di processo ottimizzata per applicazioni in ambito chirurgico che possa essere generalizzabile, ovvero che ne garantisca la riproducibilità al variare dell’anatomia del paziente e che rappresenti la base per estendere il metodo ad altre componenti protesiche. Il lavoro si è sviluppato lungo due linee principali, la cui convergenza ha permesso di realizzare prototipi di protesi complete utilizzando un solo processo: da una parte la produzione di componenti a massima densità per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche, buona resistenza ad usura e corrosione e controllo di tensioni residue e deformazione delle parti stampate. Dall’altra si sono studiate strutture reticolari a geometria e porosità controllata per favorire l’osteointegrazione della componente protesica post impianto. In questo studio sono stati messe a confronto le possibili combinazioni tra parametri di processo e sono state individuate le correlazioni con le proprietà finali dei componenti stampati. Partendo da queste relazioni si sono sviluppate le strategie tecnologiche per la progettazione e la produzione dei componenti. I test sperimentali svolti e i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità dell’utilizzo del processo SLM per la produzione di protesi personalizzate e sono stati fabbricati i primi prototipi funzionali. La fabbricazione di protesi personalizzate richiede, però, anche la progettazione e la produzione di strumentario chirurgico ad hoc. Per questo motivo, parallelamente allo studio della lega di Cromo Cobalto, sono stati eseguiti i test anche su campioni in INOX 316L. Anche in questo caso è stato possibile individuare una finestra operativa di processo che garantisse proprietà meccaniche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle ottenute con processi convenzionali.

Additive Manufacturing by LPBF and WAAM of metals: correlation between production process, microstructure and mechanical properties

In the most recent years, Additive Manufacturing (AM) has drawn the attention of both academic research and industry, as it might deeply change and improve several industrial sectors. From the material point of view, AM results in a peculiar microstructure that strictly depends on the conditions of the additive process and directly affects mechanical properties. The present PhD research project aimed at investigating the process-microstructure-properties relationship of additively manufactured metal components. Two technologies belonging to the AM family were considered: Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF) and Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM). The experimental activity was carried out on different metals of industrial interest: a CoCrMo biomedical alloy and an AlSi7Mg0.6 alloy processed by LPBF, an AlMg4.5Mn alloy and an AISI 304L austenitic stainless steel processed by WAAM. In case of LPBF, great attention was paid to the influence that feedstock material and process parameters exert on hardness, morphological and microstructural features of the produced samples. The analyses, targeted at minimizing microstructural defects, lead to process optimization. For heat-treatable LPBF alloys, innovative post-process heat treatments, tailored on the peculiar hierarchical microstructure induced by LPBF, were developed and deeply investigated. Main mechanical properties of as-built and heat-treated alloys were assessed and they were well-correlated to the specific LPBF microstructure. Results showed that, if properly optimized, samples exhibit a good trade-off between strength and ductility yet in the as-built condition. However, tailored heat treatments succeeded in improving the overall performance of the LPBF alloys. Characterization of WAAM alloys, instead, evidenced the microstructural and mechanical anisotropy typical of AM metals. Experiments revealed also an outstanding anisotropy in the elastic modulus of the austenitic stainless-steel that, along with other mechanical properties, was explained on the basis of microstructural analyses.