ETD

• acciaio inossidabile AISI 316L
• AISI 316L stainless steel
• analisi frattografica
• caratterizzazione a fatica
• caratterizzazione geometrica
• caratterizzazione statica
• ceramic interface.
• curva di Wöhler
• fatigue behavior
• fractographic analysis
• geometric characterization
• interfaccia ceramica
• Metal Extrusion Additive Manufacturing (MEAM)
• Metal Fused Filament Fabrication (Metal-FFF)
• multi-material supports
• S-N curve
• static behavior
• supporti multimateriale

Negli ultimi anni, l'Additive Manufacturing (AM) si è evoluto da strumento di prototipazione rapida a tecnologia consolidata per la produzione di componenti funzionali. Sebbene le tecnologie a fusione su letto di polvere (PBF) rappresentino l'attuale standard industriale per ottenere elevate proprietà meccaniche nell’ambito Metal-AM, esse sono caratterizzate da elevati costi di investimento, complessità operativa e rigorosi requisiti di sicurezza per la gestione delle polveri.
In questo scenario, la tecnologia Metal Fused Filament Fabrication (Metal-FFF), basata sull'estrusione di materiali compositi (filamenti polimero-metallo), emerge come un’alternativa semplice ed economica, derivata dalla stampa 3D FFF tradizionale. Tuttavia, tali benefici sono controbilanciati da alcune limitazioni intrinseche alla natura estrusiva e multifase del processo: la risoluzione geometrica è vincolata dal diametro dell’ugello, mentre l’anisotropia e la porosità residua riducono le proprietà meccaniche rispetto alle tecnologie PBF.
Il presente lavoro di tesi caratterizza in modo completo il processo Metal-FFF per l'acciaio AISI 316L, validando l'intero flusso di lavoro e correlando i parametri di processo con la qualità geometrica, microstrutturale e meccanica. Particolare enfasi è posta sullo studio del comportamento a fatica, ambito ancora scarsamente esplorato in letteratura.
L'attività sperimentale è stata condotta utilizzando un filamento commerciale (Fil-316L-F, PT+A GmbH) caricato con polvere di acciaio 316L per la realizzazione dei campioni destinati ai test geometrici e meccanici; per la gestione delle geometrie a sbalzo, invece, è stato introdotto l'uso di un materiale di supporto sacrificale a base ceramica (Zetamix Alumina), utilizzato come interfaccia di separazione per prevenire la co-sinterizzazione tra supporto e pezzo. La fase di stampa è stata ottimizzata selezionando un pattern di riempimento concentrico con il 100% di infill, un flow rate del 120% (corrispondente a 0.89 mm3/s) e un’altezza del layer pari a 0.1 mm, al fine di massimizzare la densità e raggiungere una buona risoluzione.
Il processo post-stampa ha previsto un debinding chimico in bagno di acetone per la rimozione del legante principale, seguito da un debinding termico. Quest’ultimo è stato eseguito secondo due strategie: la prima in atmosfera inerte (ciclo standard) e la seconda in condizioni di vuoto (ciclo vacuum). A seguire, per entrambe le configurazioni, la fase finale di sinterizzazione è stata condotta in atmosfera inerte.
La caratterizzazione ha incluso analisi dimensionali su cubi di calibrazione e feature geometriche complesse (fori, pareti sottili, sbalzi), prove di trazione statica, prove di fatica assiale e analisi frattografiche. Il confronto ha evidenziato la netta superiorità del trattamento in vuoto. Mentre i campioni sottoposti al ciclo standard hanno manifestato evidenti fenomeni di ossidazione superficiale e distorsioni macroscopiche, verosimilmente dovute a una gestione non ottimale dei flussi di gas, il ciclo vacuum ha prodotto campioni con una finitura superficiale brillante, caratterizzati da una drastica riduzione dei fenomeni ossidativi. Le misurazioni densimetriche (metodo di Archimede) attestano il raggiungimento di una densità relativa superiore al 96%, valore che conferisce proprietà meccaniche comparabili al materiale massivo: UTS media di 522 MPa, snervamento (Rp0.2) di 163 MPa e un allungamento a rottura (A%) superiore al 43%.
La caratterizzazione a fatica ad alto numero di cicli condotta sui campioni processati con il ciclo vacuum ha permesso di tracciare la curva di Wöhler (S-N) sperimentale. I dati mostrano un buon accordo con la letteratura esistente per acciai 316L prodotti via Metal-FFF, posizionandosi al di sopra di alcuni riferimenti bibliografici per la stessa tecnologia. La pendenza della curva evidenzia una sensibilità alla fatica indotta dalla microstruttura, con innesco delle cricche prevalentemente su difetti superficiali o discontinuità di stampa.
Parallelamente, l'analisi dimensionale ha quantificato un ritiro volumetrico anisotropo: le misurazioni effettuate sui campioni hanno rivelato fattori di contrazione pari a circa il 17.2% lungo l'asse X, 16.9% lungo l'asse Y e 15.6% lungo l'asse Z. In aggiunta, la caratterizzazione geometrica ha validato la realizzabilità di feature complesse su provini dedicati, mentre l’uso dell'interfaccia in allumina si è rivelato determinante nella stampa di supporti ibridi (acciaio + interfaccia ceramica), garantendone una facile rimozione senza lavorazioni meccaniche aggiuntive. A dimostrazione delle capacità applicative del processo, sono stati infine realizzati due componenti strutturali complessi: una paletta di turbina e una coppia di ruote dentate bi-elicoidali.
In conclusione, lo studio dimostra la fattibilità del processo Metal-FFF per la produzione di componenti funzionali in acciaio 316L. Il ciclo con debinding in vuoto migliora la qualità superficiale e le proprietà meccaniche; sebbene la resistenza a fatica risenta della porosità residua e dei difetti di stampa, i valori ottenuti sono promettenti. L'integrazione di supporti multimateriale ceramici rappresenta un avanzamento tecnico per ampliare la libertà geometrica della tecnologia, riducendo costi e tempi di post-processo.
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In recent years, Additive Manufacturing (AM) has evolved from a rapid prototyping tool into a consolidated technology for the production of functional components. While Powder Bed Fusion (PBF) represents the current industrial standard for achieving high mechanical properties in Metal-AM, it is characterized by high investment costs, operational complexity, and strict safety requirements for powder handling
In this context, Metal Fused Filament Fabrication (Metal-FFF) technology, based on the extrusion of composite materials (polymer-metal filaments), emerges as a straightforward and cost-effective alternative derived from traditional FFF 3D printing. However, these benefits are counterbalanced by limitations intrinsic to the extrusive and multiphase nature of the process: geometric resolution is constrained by the nozzle diameter, while anisotropy and residual porosity reduce mechanical properties compared to PBF technologies.
This thesis provides a comprehensive characterization of the Metal-FFF process for AISI 316L stainless steel, validating the entire workflow and correlating process parameters with geometric, microstructural and mechanical quality. Particular emphasis is placed on the study of fatigue behavior, an area still scarcely explored in the literature.
The experimental activity was conducted using a commercial filament (Fil-316L-F, PT+A GmbH) filled with 316L steel powder for geometric and mechanical samples. To manage overhanging geometries, a sacrificial ceramic-based support material (Zetamix Alumina) was introduced as a separation interface to prevent co-sintering between the support and the part. The printing phase was optimized by selecting a concentric infill pattern with 100% density, a flow rate of 120% (corresponding to a volumetric flow rate of 0.89 mm3/s) and a layer height of 0.1 mm to maximize density and achieve good resolution.
The post-printing process involved chemical debinding in an acetone to remove the main binder, followed by thermal debinding. The latter was executed using two strategies: the first in an inert atmosphere (standard cycle) and the second in a vacuum (vacuum cycle). Subsequently, for both configurations, the final sintering phase was conducted in an inert atmosphere.
Characterization included dimensional analysis on calibration cubes and complex geometric features (holes, thin walls, overhangs), static tensile tests, axial fatigue tests and fractographic analysis. The comparison highlighted the clear superiority of the vacuum treatment. While samples subjected to the standard cycle showed evident surface oxidation and macroscopic distortions, likely due to suboptimal gas flow management, the vacuum cycle produced samples with a bright surface finish, characterized by a drastic reduction in oxidation phenomena. Densitometric measurements (Archimedes’ method) confirmed a relative density exceeding 96%, yielding mechanical properties comparable to bulk material: an average UTS of 522 MPa, a yield strength (Rp0.2) of 163 MPa and an elongation at break (A%) exceeding 43%.
High-cycle fatigue characterization conducted on the vacuum-processed samples allowed for the plotting of the experimental S-N curve. The data show good agreement with existing literature for AISI 316L produced via Metal-FFF, ranking above some bibliographic references for the same technology. The slope of the curve highlights fatigue sensitivity induced by the microstructure, with crack initiation occurring primarily at surface defects or printing discontinuities.
Furthermore, dimensional analysis quantified anisotropic volumetric shrinkage: measurements revealed contraction factors of approximately 17.2% along the X-axis, 16.9% along the Y-axis, and 15.6% along the Z-axis. Additionally, geometric characterization validated the feasibility of complex features on dedicated specimens, while the use of the alumina interface proved decisive in printing hybrid supports (steel + ceramic interface), ensuring easy removal without additional machining. Finally, to demonstrate the application capabilities of the process, two complex structural components were realized: a turbine blade and a pair of double-helical gears.
In conclusion, this study demonstrates the feasibility of the Metal-FFF process for producing functional components in AISI 316L steel. The vacuum debinding cycle improves surface quality and mechanical properties; although fatigue resistance is affected by residual porosity and printing defects, the obtained values are promising. The integration of multi-material ceramic supports represents a technical advancement to expand the technology's geometric freedom, reducing post-processing costs and times.