Impact of SLM build parameters on the surface quality

Additive manufacturing by melting of metal powders is an innovative method to create one-offs and customized parts. Branches like dentistry, aerospace engineering and tool making were indicated and the manufacturing methods are established. Besides all the advantages, like freedom of design, manufacturing without a tool and the reduction of time-to-market, there are however some disadvantages, such as reproducibility or the surface quality. The surface quality strongly depends on the orientation of the component in the building chamber, the process parameters which are laser power and exposure time, but also on the so-called “hatch”-strategy, which includes the way the laser exposes the solid areas. This paper deals with the investigation and characterization of the surface quality of generated parts produced by SLM. Main process parameters including part orientation, part size and hatch strategies are investigated and monitored. The outcome is a recommendation of suitable hatch strategies depending on desired part properties. This includes metered values and takes into account process stability and reproducibility.

Vergleich von additiv und herkömmlich gefertigten Strukturen für ein neuartiges Regalfahrzeug

Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren ist in den vergangenen Jahren stark angestiegen. Technische Weiterentwicklungen der Maschinen machen den Einsatz dieser Fertigungsverfahren für Industrieanwen-dungen immer attraktiver. In einer Untersuchung am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML wurden die Einsatzmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren im Bereich autonomer Regalfahrzeuge analysiert. Die Adaption eines neuartigen Förderfahrzeuges für den Einsatz in Regalanlagen steht hierbei im Fokus der Untersuchung. Diese Analyse stellt die Besonderheiten der additiven Fertigung heraus und vergleicht den Herstellungsprozess mit herkömmlichen Verfahren.

Repair - Beispiel: Mobile mit Halogenleuchten

Das RTeJournal möchte in seiner Rubrik:“ Repair“, Berichte aufnehmen, in denen die Reparatur oder der Ersatz von Bauteilen durch Additive Manufacturing (AM) Lösungen aufgenommen wird. Einmal als Anregung sich damit auseinander zu setzen und gleichzeitig auch als Dienstleistung beim Bedarf von Reparaturen. Es würde uns freuen, wenn Sie uns Beispiele mit einem kleinen Reparaturbericht zusenden könnten, die zum Einsatz von Additive Manufacturing führten. Email: eich@fh-aachen.de

Surface quality of profile extrusion dies manufactured by Selective Laser Melting

The design of plastics profile extrusion dies becomes increasingly more complex so that conventional manufacture processes reach their limit in the die manufacture. A feasible manufacture of arbitrarily designed dies is only possible by additive manufacturing. An especially promising process is hereby the Selective Laser Melting with which metal parts with series identical mechanical properties can be produced without the need for part specific tooling or downstream sintering processes. Disadvantegeous is, however, the relatively rough surface of additively manufactured parts. Against this background, the manufacturing of an profile extrusion die by Selective Laser Melting and the plastics profile surface quality, that can be achieved with such dies, is investigated. For this purpose, profiles are extruded both with an additively manufactured die and a conventionally milled sample of the same die geometry. In case of the additively manufactured die a concept for the surface finishing of the flow channel is required, which can be applied to arbitrarily shaped geometries. Therefore, two different reworking processes are applied only to the die land of the flow channel. The comparison of the surface roughnesses shows that the additively manufactured die with a polished die land delivers the same surface quality as the conventional die.

Toward mass production of microtextured microdevices: linking rapid prototyping with microinjection molding

The possibility of manufacturing textured materials and devices, with surface properties controlled from the design stage, instead of being the result of machining processes or chemical attacks, is a key factor for the incorporation of advanced functionalities to a wide set of micro and nanosystems. Recently developed high-precision additive manufacturing technologies, together with the use of fractal models linked to computer-aided design tools, allow for a precise definition and control of final surface properties for a wide set of applications, although the production of larger series based on these resources is still an unsolved challenge. However, rapid prototypes, with controlled surface topography, can be used as original masters for obtaining micromold inserts for final large-scale series manufacture of replicas using microinjection molding. In this study, an original procedure is presented, aimed at connecting rapid prototyping with microinjection molding, for the mass production of two different microtextured microsystems, linked to tissue engineering tasks, using different thermoplastics as ultimate materials.

Valutazione sperimentale in-vitro di nuove superfici protesiche per la sostituzione totale di caviglia derivanti da un innovativo approccio morfologico

La sostituzione totale di caviglia o artroplastica totale di caviglia (Total Ankle Replacement - TAR) è un'operazione eseguita per sostituire le superfici di contatto delle ossa di tibia e astragalo mediante componenti protesiche e sta diventando una comune procedura chirurgica per il trattamento dell’ultimo stadio di osteoartrite di caviglia. La morfologia articolare della caviglia e la relativa cinematica sono molto complesse. Gli attuali dispositivi per TAR soffrono ancora di alti tassi di insoddisfazione e fallimento, probabilmente a causa dei relativi disegni protesici non pienamente rispettosi della normale morfologia di caviglia e del normale trasferimento dei carichi articolari. Recentemente, è stato proposto un nuovo disegno basato su un originale postulato che approssima la superficie articolare talare in modo maggiormente fisiologico, come un tronco di cono a sella con apice diretto lateralmente. L'obiettivo di questa tesi di laurea è di valutare sperimentalmente, mediante il supporto del navigatore chirurgico, il comportamento cinematico derivante dall’impianto del dispositivo TAR basato sul nuovo postulato e di confrontarlo con la cinematica derivante dalla caviglia intatta e derivante da modelli protesici basati sui disegni più comunemente utilizzati. Dieci arti inferiori da cadavere con caviglie intatte e normali, sono state scansionati via CT. Le immagini di caviglia sono state poi segmentate per la produzione dei modelli virtuali articolari. Questi sono stati prodotti sia basandosi sul nuovo postulato sia su quelli standard, e successivamente stampati in materiale plastico via 3D-printing. I risultati ottenuti a seguito di elaborazioni confermano che il nuovo dispositivo sembra riprodurre meglio rispetto agli altri, il fisiologico comportamento funzionale della caviglia, presentando valori prossimi a quelli della caviglia naturale.

Remote Control Electrodeposition: Patterning on Substrates without Direct Electrical Connections

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Synthesis of Silver Nanoparticle Based Conductive Inks for Additively Manufactured Electronics

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Selective Laser Melting of the Eutectic Silver-Copper Alloy Ag 28 wt % Cu

The aim of this work was to perform a detailed investigation of the use of Selective Laser Melting (SLM) technology to process eutectic silver-copper alloy Ag 28 wt. % Cu (also called AgCu28). The processing occurred with a Realizer SLM 50 desktop machine. The powder analysis (SEM-topography, EDX, particle distribution) was reported as well as the absorption rates for the near-infrared (NIR) spectrum. Microscope imaging showed the surface topography of the manufactured parts. Furthermore, microsections were conducted for the analysis of porosity. The Design of Experiments approach used the response surface method in order to model the statistical relationship between laser power, spot distance and pulse time.

Progettazione e prototipìa di un polso robotico ad architettura sferica

I robot industriali iniziano a diffondersi in maniera significativa verso la metà degli anni ’70, quando affrontare economicamente il costo legato alla loro progettazione e costruzione risultò più vantaggioso rispetto all’assunzione di manodopera. Nella categoria dei robot industriali rientrano anche i polsi robotici che, posti all’estremità di un braccio meccanico, possono essere impiegati in diverse applicazioni industriali. In questo ambito si inserisce il meccanismo sferico ideato da Wu e Carricato. Esso presenta un’architettura ibrida seriale-parallela e, grazie ad una disposizione simmetrica dei membri che lo costituiscono, è in grado di riprodurre il movimento del polso umano. L’attività svolta e presentata in questo elaborato è stata finalizzata alla progettazione, attraverso l’ausilio dei software Creo e Matlab, sia degli organi che compongono il dispositivo sia della trasmissione meccanica che consente l’attuazione dei 2 gradi di libertà (gdl) posseduti dal meccanismo. Sono state realizzate due versioni CAD del polso; la prima è volta alla realizzazione in materiale plastico dei componenti, sfruttando la tecnologia della stampa 3D, in modo da ottenere un primo prototipo funzionante ed operativo, in cui si sono previsti accoppiamenti rotoidali tra le parti del tipo a strisciamento. Costruito ed assemblato il prototipo in plastica, si è potuta verificare la compatibilità tra precisione costruttiva, tolleranze dimensionali e geometriche garantite dalla stampa 3D e corretto funzionamento del meccanismo. La seconda versione rappresenta una versione ingegnerizzata della precedente. In particolare, prevede la realizzazione in alluminio del polso e la progettazione dei giunti cinematici (principalmente rotoidali) utilizzando accoppiamenti volventi e non a strisciamento. In questo modo si riescono a ridurre le imperfezioni di montaggio ed i notevoli giochi introdotti dall’impiego di componenti in plastica.

Caratterizzazione microstrutturale e frattografica di componenti in acciaio 316L prodotti tramite Selective Laser Melting

Il Selective Laser Melting è un processo di additive manufacturing che consiste nella realizzazione di componenti metallici tridimensionali, sovrapponendo strati di polvere, che viene via via fusa mediante una sorgente controllata di energia (laser). È una tecnica produttiva che viene utilizzata da più di 20 anni ma solo ora sta assumendo un ruolo rilevante nell’industria. È un processo versatile ma complesso che ad oggi permette di processare solo un numero limitato di leghe. Il presente lavoro di tesi riguarda in particolare lo studio, dal punto di vista microstrutturale, di componenti in acciaio inossidabile austenitico AISI-316L processato mediante Selective Laser Melting, attività svolta in collaborazione con il Gruppo di Tecnologia – Laser del Dipartimento di Ingegneria Industriale. Alla base dell’attività sperimentale è stata svolta anche un’ampia ricerca bibliografica per chiarire lo stato dell’arte sul processo e sulla lega in questione, la microstruttura, i difetti, le proprietà meccaniche e l’effetto dei parametri di processo sul componente finito. Le attività sperimentali hanno previsto una prima fase di caratterizzazione delle polveri di 316L, successivamente la caratterizzazione dei campioni prodotti tramite selective laser melting, in termini di microstruttura e difetti correlati al processo. Le analisi hanno rivelato la presenza di una microstruttura “gerarchica” costituita da melt pool, grani e celle submicrometriche. I difetti rinvenuti sono pori, delaminazione degli strati, particelle di polvere non fuse. Infine è stata eseguita la caratterizzazione frattografica dei campioni sottoposti a prove di trazione e di fatica a flessione rotante (attività condotte dal gruppo Laser) per identificare la morfologia di frattura e i siti di innesco della cricca di fatica.

Membrane poliarammidiche nanofibrose: produzione mediante elettrofilatura e applicazione come ritardante di fiamma

I compositi a matrice polimerica sono stati soggetto di indagine e sviluppo per le ottime proprietà meccaniche che possiedono. Portando come esempio di questo tipo di compositi i materiali a matrice epossidica rinforzati in fibra di carbonio, questi sono molto performanti ma presentano due principali problematiche: la delaminazione e la elevata infiammabilità. Recenti studi hanno dimostrato che la possibilità di integrare in un materiale composito un rinforzo a base nanofibrosa, può modificare in maniera sostanziale le proprietà meccaniche e non solo del composito. Nel presente lavoro di tesi è stato condotto uno studio riguardante la possibilità di includere nanofibre di natura meta-arammidica all’interno di materiali compositi e l’effetto che questo possono avere sulla cinetica di reticolazione della resina. Essendo inoltre ben note le ottime proprietà antifiamma delle fibre poli-arammidiche si è studiato il comportamento alla fiamma di materiali (legno e compositi in fibra di carbonio) ricoperti da strati micrometrici di tali nanofibre tramite misure al cono calorimetro.

DESIGN, FABRICATION, AND PERFORMANCE CHARACTERIZATION OF MULTIFUNCTIONAL STRUCTURES TO HARVEST SOLAR ENERGY FOR FLAPPING WING AERIAL VEHICLES

Flapping Wing Aerial Vehicles (FWAVs) have the capability to combine the benefits of both fixed wing vehicles and rotary vehicles. However, flight time is limited due to limited on-board energy storage capacity. For most Unmanned Aerial Vehicle (UAV) operators, frequent recharging of the batteries is not ideal due to lack of nearby electrical outlets. This imposes serious limitations on FWAV flights. The approach taken to extend the flight time of UAVs was to integrate photovoltaic solar cells onto different structures of the vehicle to harvest and use energy from the sun. Integration of the solar cells can greatly improve the energy capacity of an UAV; however, this integration does effect the performance of the UAV and especially FWAVs. The integration of solar cells affects the ability of the vehicle to produce the aerodynamic forces necessary to maintain flight. This PhD dissertation characterizes the effects of solar cell integration on the performance of a FWAV. Robo Raven, a recently developed FWAV, is used as the platform for this work. An additive manufacturing technique was developed to integrate photovoltaic solar cells into the wing and tail structures of the vehicle. An approach to characterizing the effects of solar cell integration to the wings, tail, and body of the UAV is also described. This approach includes measurement of aerodynamic forces generated by the vehicle and measurements of the wing shape during the flapping cycle using Digital Image Correlation. Various changes to wing, body, and tail design are investigated and changes in performance for each design are measured. The electrical performance from the solar cells is also characterized. A new multifunctional performance model was formulated that describes how integration of solar cells influences the flight performance. Aerodynamic models were developed to describe effects of solar cell integration force production and performance of the FWAV. Thus, performance changes can be predicted depending on changes in design. Sensing capabilities of the solar cells were also discovered and correlated to the deformation of the wing. This demonstrated that the solar cells were capable of: (1) Lightweight and flexible structure to generate aerodynamic forces, (2) Energy harvesting to extend operational time and autonomy, (3) Sensing of an aerodynamic force associated with wing deformation. Finally, different flexible photovoltaic materials with higher efficiencies are investigated, which enable the multifunctional wings to provide enough solar power to keep the FWAV aloft without batteries as long as there is enough sunlight to power the vehicle.

Ottimizzazione mediante codici di calcolo open source di componenti per il settore aerospaziale

Lo scopo della presente tesi è sviluppare un ambiente per l'ottimizzazione strutturale di componenti per applicazione aerospaziale utilizzando codici open-source. In particolare, il codice Salome viene utilizzato per il disegno automatico delle strutture, il programma Code Aster permette di effettuare l'analisi agli elementi finiti del componente, mentre Octave viene utilizzato per svolgere l'ottimizzazione basata su un algoritmo euristico e per integrare fra di loro i differenti codici. Le tecniche di ottimizzazione dei componenti stanno rivestendo sempre più importanza visto che le moderne tecniche di Additive Manufacturing permettono di realizzare strutture molto complesse che un tempo non era conveniente (o possibile) realizzare con asportazione di materiale. Nella prima parte della tesi si descrivono gli strumenti software utilizzati e la loro integrazione al fine di parametrizzare la generazione di geometrie ed effettuare in modo automatico analisi strutturali. Successivamente si descrivono tre casi di studio in cui la metodologia è stata sperimentata: un primo caso di validazione in cui si è applicato il metodo alla definizione della geometria di minimo peso per una trave a sbalzo con carico concentrato, un secondo test di ottimizzazione di un longherone per aeromobile, un terzo caso applicativo legato alla ottimizzazione di un serbatoio per fluidi in pressione da utilizzare su un satellite.

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.