Phd in INDUSTRIAL AND MANAGEMENT ENGINEERING

Thesis title: Principi e metodologie di progettazione per multimateriali metallici a gradazione funzionale prodotti mediante tecnologia additiva “Powder Bed Fusion - Laser Based”

La manifattura additiva, meglio nota come “Additive Manufacturing” (AM), oggi rappresenta una tecnologia di produzione che ha raggiunto, rispetto ai decenni passati, alti livelli di consolidamento per un ampio insieme di materiali che vanno da quelli plastici ai metallici, passando per compositi e ceramici. Nata essenzialmente come prototipazione rapida di oggetti e componenti, viene attualmente impiegata anche per produzione di piccole o medie serie che fanno dell’elevata personalizzazione del prodotto il loro punto di forza o in contesti dove l’elevata specializzazione e l’unicità dei prodotti richiede lo sviluppo e l’applicazione di tecnologie ad-hoc. La messa a punto di nuovi materiali, l’individuazione di nuovi mercati e contesti applicativi, uniti alla nascita di moderni applicativi informatici sia per l’analisi che la gestione dei processi, i quali devono tenere conto sia delle esigenze che dell’unicità delle singole tecnologie additive, ha reso necessario lo sviluppo di nuove competenze, metodi e principi di progettazione da applicare a tale settore. La libertà di immaginare nuove forme, differenti dalle convenzionali, è infatti solo uno degli aspetti e delle sfide che pone questa tecnologia; la multidisciplinarietà che queste tecniche pongono difronte al progettista richiede infatti la formalizzazione delle interrelazioni tra i differenti aspetti tecnologici che sono richiesti per ottenere oggetti o componenti conformi alle specifiche tecniche di progetto. L’obiettivo del presente lavoro è stato quindi quello di formalizzare principi e metodologie di progettazione adatti allo sviluppo di multimateriali metallici a gradazione funzionale da produrre mediante la tecnologia additiva a letto di polvere che tengano conto della suddetta multidisciplinarietà e che siano di facile declinazione sia in un contesto di ricerca che in un ambiente produttivo industriale. Tale multidisciplinarietà è stata declina in vari aspetti che vanno dalla definizione di nuovi criteri di progettazione all’ottimizzazione del processo, passando per l’analisi delle prestazioni mediante metodi di indagine distruttivi e non distruttivi. I primi hanno incluso metodi classici come la metallografia o le prove di caratterizzazione delle proprietà dei materiali, mentre i secondi tecniche di analisi mediante specifiche sorgenti (es. raggi X, neutroni, ecc.). Ognuno di questi aspetti è direttamente correlato all’altro ed ha permesso di definire criteri di progetto affidabili per realizzare multimateriali metallici a gradazione funzionale mediante una soluzione prototipale innovativa. Oggi giorno, lo sviluppo e l’innovazione si declina non soltanto nello sviluppo ed ottimizzazione di un singolo aspetto tecnico o di una tecnologia, ma piuttosto nella messa a comune delle informazioni e nella sinergia tra più tecnologie, metodi, processi al fine di ottimizzare e migliorare le prestazioni di un oggetto o sistema e l’AM risponde pienamente questo tipo di esigenze multidisciplinari. La prima parte della trattazione introduce quindi il lettore agli aspetti principali delle tematiche che sono state essenziali per lo sviluppo del lavoro quali: la tecnologia di produzione additiva per mezzo di letto di polvere metallica, “Powder Bed Fusion – Laser Based” (PBF-LB) [Capitolo 1], il concetto di materiale a gradazione funzionale, “Functionally Graded Material” (FGM) [Capitolo 2] ed i principali materiali di interesse scientifico e tecnologico nella manifattura additiva metallica [Capitolo 3]. Stante l’elevato numero di argomenti legati a tali tematiche, si è cercato di fornire tutte quelle informazioni essenziali e propedeutiche alla comprensione delle attività successivamente descritte. La seconda parte del testo tratta invece lo studio e l’ottimizzazione del processo per la produzione di un multimateriale mediante gli attuali sistemi di produzione a letto di polvere disponibili [Capitolo 4] e la caratterizzazione sperimentale delle principali proprietà fisiche dei materiali e delle giunzioni multimateriali realizzate [Capitolo 5], mettendo in risalto tutti quegli aspetti che posso influenzare la modellazione analitica. La terza parte propone, infine, dei modelli analitici di semplice implementazione utili a descrivere il comportamento e le proprietà fisiche delle suddette giunzioni da applicare durante il processo di progettazione di un generico componente [Capitolo 6]. Le attività di produzione additiva e le prove sperimentali a bassa temperatura sono state svolte presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), mentre la parte di caratterizzazione delle proprietà meccaniche sono state realizzate presso il Laboratorio di Costruzione di Macchine del Dipartimento di Meccanica e Aerospaziale (DIMA) dell’Università degli Studi “La Sapienza”, mentre le analisi metallografiche sono state condotte presso il Dipartimento Ingegneria Chimica Materiali Ambiente (DICMA) della medesima università. La parte riguardante l’analisi tomografica mediante sorgenti ai neutroni è stata volta invece grazie alla collaborazione con il laboratorio internazionale di J-PARC in Giappone. Al momento della stesura della presente tesi, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), sono in fase di sviluppo alcune applicazioni in ambito scientifico, che applicano i principi e metodologie di progettazione per multimateriali metallici a gradazione funzionale qui esposti.