Smart Control of Defects in Additive Manufacturing 3D objects Function of Application

Abstract

A fabricação aditiva (FA) é a tecnologia de fabricação principal no contexto da Indústria 4.0. O FA de metais, em particular, tem liderado a inovação científica na produção de materiais com características sob medida, sejam elas geométricas, funcionais ou estéticas. Uma nova era de ciência dos materiais desenvolve-se ao providenciar um conhecimento profundo dos novos fenómenos físico-químicos relacionados com a FA. Não obstante, o estudo de defeitos em FA está apenas atualmente a ser considerado mais que uma característica do FA. Os defeitos em FA devem ser categorizados pela sua origem. Para além disso, as suas consequências nas propriedades do objecto3D devem ser compreendidas a fim de conseguir um processo reproduzível, fiável e sustentável. Em FA metálico, dois grupos de processos podem ser distinguidos no que concerne os defeitos: FA em estado sólido (FAES) e FA em estado líquido (FAEL). O primeiro grupo, FAES, abrange os processos onde a densificação ocorre sem fusão ou com fusão parcial. Devido a esse facto, os mecanismos de origem de defeitos são largamente diferentes do que a sua contraparte, FAEL, onde há fusão do material. A importância da deteção de defeitos em FA está ligada à capacidade de observar o tamanho, localização e geometria dos defeitos sem comprometer a aplicabilidade dos objectos3D. Os testes não-destrutivos (TND) são essenciais na qualificação de objetos fabricados por via aditiva com aplicações críticas/estruturais. A microtomografia computadorizada (µCT) é, neste contexto, uma ferramenta única na observação de defeitos em objetos metálicos de pequena dimensão. Capaz de detetar defeitos com uma resolução na ordem do mícron, é, para além disso, capaz de construir um gémeo digital que poderá ser usado na modelação das propriedades mecânicas e comportamento à consolidação, essencial em FA para aplicações críticas/estruturais. Neste trabalho, duas tecnologias representativas dos processos de FAES e FAEL, para peças de pequena dimensão, foram selecionados para a observação de defeitos através de µCT - Extrusão de Material (MEX do inglês material extrusion) e Fusão Seletiva por Laser (SLM do inglês selective laser melting). O aço inoxidável 316L (AISI) foi processado através de MEX e SLM. Este material é considerado como uma referência no FA metálico. A ausência de transformações de fase na gama de temperaturas de processamento do MEX e SLM, aliado ao baixo conteúdo de carbono, conduz a uma elevada densificação e boas propriedades mecânicas, mantendo a facilidade de processamento e manuseamento. Os defeitos em FAES forem estudados, recorrendo aos defeitos originados em MEX. O presente trabalho revelou defeitos originários na matéria-prima, no fabrico e na consolidação. A influência dos parâmetros de fabrico é destacada através da produção de um grupo de testes que engloba a otimização de parâmetros recorrendo ao µCT. Consequentemente, foi mostrado que esta ferramenta poderá não só ser usada para observação de defeitos, mas para a sua redução e otimização, quando aliada a um conhecimento profundo da ciência de materiais. A investigação em FAEL, neste trabalho, teve dois focos principais. Estabelecer a capacidade de observação de defeitos em peças de pequena dimensão e estabelecer essa capacidade quando usado em objetos de elevada densidade, qualquer que seja a microestrutura obtida. O cobre foi selecionado como um material que induz defeitos devido à sua conhecida problemática em ser processado através de SLM convencional. O aparecimento de defeitos em cobre foi comparado com uma liga de cobre:aço (316L) que alterou fortemente a dinâmica de fusão, e obviamente, a resposta do material. A utilização do µCT foi comprovada como capaz de confirmar o aumento de densidade e a mistura de liga adequada. Finalmente, o FAEL foi estudado aquando das condições de fabricação são favoráveis a uma elevada densificação, recorrendo a quatro aços inoxidáveis com um crescente quantidade de carbono. Este trabalho sublinhou o papel da microestrutura nas propriedades mecânicas de materiais fabricados por SLM. O µCT foi capaz de acrescentar mais informação que os métodos convencionais de medição de densidade, assegurando a elevada densidade dos objectos3D enquanto imune aos defeitos fásicos/microestruturais. No geral, este trabalho pode ser considerado como um guia para a caracterização de objetos3D recorrendo ao menor número de passos. Isto pode assim agilizar o procedimento de qualificação de materiais produzidos por FA através do desenvolvimento de normas para a qualificação não-destrutiva destes.

Additive Manufacturing (AM) is the leading manufacturing driver of industry 4.0. Metallic AM, particularly, has been driving scientific innovation for the production of materials with tailored characteristics, either geometrical, functional or aesthetical. A new age of material science developed by providing an understanding of the new physical and chemical phenomena related to AM production. Nevertheless, the study of defects in additive manufacturing is only now being regarded as more than a characteristic of AM processing. Defects in AM must be categorised by their origin. Moreover, their consequences on the final 3Dobject properties must be understood in order to achieve a repeatable, reliable and sustainable process. In that regard, metal AM defects vastly differ considering two process groups: solid-state-based AM (SSAM) and liquid-state-based AM (LSAM). The first group, SSAM, encompasses processes where densification occurs with no melting or partial melting. Due to this fact, defect emergence mechanisms are vastly different to their counterpart, LSAM, where full melting is achieved. The importance of defect detection in AM is linked to the capability of observing defect size, location and geometry without compromising the applicability of the 3Dobject. Non-destructive testing (NDT) is essential for qualifying AM parts for critical uses. In that regard, micro-computed tomography (µCT) is a unique tool for defect observation in small metal parts. Capable of assessing defects with a resolution in the micron order, is, moreover, able to construct a digital twin that can be used for modelling 3Dobject mechanical properties and consolidation behaviour, essential for AM critical/structural application. In this work, two representative processes of SSAM and LSAM, for small parts, were selected for defect observation through µCT - Material Extrusion (MEX) and Selective Laser Melting (SLM). Stainless Steel 316L (AISI) was processed through MEX and SLM. This material is considered a standard material for metal AM. Its lack of phase transformation within MEX and SLM temperatures, allied with low carbon content, leads to high densification and good mechanical properties while being easy to handle and process. SSAM defects were studied, recurring to MEX, in what concerns defect emergence. The work revealed feedstock, shaping and consolidation defects. Moreover, the influence of shaping parameters is highlighted through a test group encompassing shaping optimisation using µCT. Consequently, it was shown that this tool could be used not only for defect observation but for defect reduction and optimisation when allied to a deep material science understanding. LSAM research on this work had two main focuses: to establish the capacity of defect observation in small parts; and to assess its capability when used on highly dense objects, whatever the resulting microstructure. Copper was chosen as a defect inducer due to its known processing difficulty with conventional SLM. Defect emergence was then compared to a tailored copper:steel alloy that altered the melting dynamics and, therefore, material response. µCT was proven to be capable of assessing the density improvement and adequate alloy mixing. Finally, LSAM was studied when favourable conditions for densification were reunited, recurring to four stainless steels with increasing carbon content. This work underlined the microstructure role in the mechanical properties of materials processed through SLM. Capable of providing more information than commonly used density methods, µCT was capable of assuring 3Dobject high density while being impervious to phasic or microstructural defects. Overall, the work can be observed as a guide for adequate material characterisation recurring to the smallest amount of steps. This can streamline the 3Dobject qualification procedure through the development of standards for NDT qualification of AM-produced 3Dobjects.