Studio del comportamento meccanico di acciaio formato tramite additive manufacturing

The thesis describes the different behavior assumed by steel specimens depending on how they are produced through the Additive Manufacturing process, in particular the results obtained from a tensile test with cameras captures, that make possible the study of three-dimensional and two-dimensional behavior of the specimen; the data are processed by the use of the DIC (Digital Image Correlation) method in order to extract and analyze the stress-strain graphs obtained using the Matlab software, from which the Young's modulus and Poisson's ratio of the metal sample will be calculated. The specimen are creafted through Selective Laser Melting technique (SLM): a laser beam hits a bed of AISI 316L steel powder fixing the particles to create a layer, multiple levels are printed one on another to reach the final shape of the specimen. To analyze the behaviour of printed steel, different laser orientations will be chosen, obtaining specimens with fibers facing different directions; the choice of a particular orientation changes the mechanical properties from specimen to specimen. Once the tensile test is performed on the samples, the data from the cameras are captured and the frames are processed using the DIC technique: a mesh is created in order to highlight the deformation. The study is developed in two different ways: a two-dimensional approach using a single camera and a three-dimensional hypothesis using two different-angled cameras. Using the software Matlab, the data obtained are illustrated on stress-strain graphs from which the Young's modulus of the specimens analyzed with the DIC technique are calculated. This process is adopted for 90_0_C (both in 3D and 2D mode) and 90_0_B (only in 2D mode). These results are compared with each other, determining that the only consistent difference is the value of Young's modulus of 90_0_C in the 3D system and the values of the other two specimens studied in a two-dimensional manner; the Poisson's ratio is then calculated and the one that comes closest to reality is the 90_0_C 3D specimen. In the end the Young's modulus of the samples calculated through extensometer are also used, and it is possible to deduce that the samples with printing direction at 45 degrees and shift (random direction, taken at 66 degrees in this case) are those that have better mechanical properties, while those with a preferential direction at 90 degrees have a lower elasticity modulus, mainly because the fibers are ordered perpendicular to the load, determining an inferior deformation caused by external forces.

In questo lavoro di tesi si propone di descrivere il diverso comportamento assunto da provini in acciaio a seconda di come vengono prodotti tramite il processo di Additive Manufacturing, in particolare si prendono in esame i risultati ottenuti da una prova di trazione con cattura da telecamere, in modo da poter studiare il comportamento tridimensionale e bidimensionale del provino; la ricerca viene poi supportata dall’utilizzo del metodo DIC (Digital Image Correlation) per poter successivamente estrarre e analizzare i grafici tensione-deformazione ottenuti utilizzando il software Matlab, da cui si calcolerà il modulo di Young e il coefficiente di Poisson del campione metallico. I provini sono realizzati con la tecnica Selective Laser Melting, dove un fascio laser colpisce un letto di polvere di acciaio AISI 316L fissando le particelle per creare uno strato, più layer vengono sovrapposti a formare il provino. Per analizzare i diversi comportamenti si sceglieranno diverse orientazioni del laser, ottenendo così provini con fibre rivolte in versi differenti che determinano anche una variazione delle proprietà meccaniche da provino a provino. Viene eseguita la prova di trazione sui campioni e vengono catturati i dati dalle fotocamere; i frame sono elaborati tramite tecnica DIC con la creazione di una mesh per evidenziare la deformazione. Lo studio viene fatto sia con l'utilizzo di una sola telecamera (bidimensionale) che con due telecamere disposte con angolazioni diverse rispetto alla superficie di interesse. Tramite software Matlab i dati ricavati vengono illustrati su grafici tensione-deformazione e si procede a calcolare il modulo di Young dei provini analizzati con la DIC ovvero il 90_0_C (sia in maniera 3D che 2D) e il 90_0_B (solo in maniera 2D). Questi risultati vengono confrontati tra loro, determinando che l'unica consistente differenza risiede nel modulo di Young del 90_0_C nel sistema 3D rispetto ai due provini studiati in maniera bidimensionale; viene successivamente calcolato il coefficiente di Poisson e il valore che si avvicina più alla realtà sarà quello del provino 90_0_C 3D. Come ultimo confronto vengono utilizzati anche i moduli di Young dei campioni calcolati tramite estensometro, e si noterà che i provini con direzione di stampa a 45° e shift (direzione casuale, presa a 66° per non avere un asse preferenziale) sono quelli che si comportano meglio, avendo migliori proprietà meccaniche, mentre quelli con direzione preferenziale a 90° hanno un comportamento peggiore, proprio perché le fibre sono ordinate perpendicolarmente al carico, determinando un modulo di elasticità del provino inferiore.