RAPID PRODUCT DEVELOPMENT N.3-ANNO€¦ · Marketing & Pubblicità: Guglielmo Calcagno...

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TECNOLOGIE E MATERIALI INNOVATIVI PER L'INGEGNERIZZAZIONE E L'INDUSTRIALIZZAZIONE DEL PRODOTTO

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MERCATO SOFTWARETECNOLOGIEMATERIALI

sommarion° 3 settembre 2019

Tuttoquellocheavestevolutosaperesull’AM…EverythingyouhavealwayswantedtoknowaboutAM…

Ipolimeridominanol’AMPolymersdominateAM

Lostatodell'artedelmetalloThestate-of-the-artofmetal

StudidiresistenzaafaticadelmetalloadditivoFatigueresistancetestsonadditivemetal

AfiancodellasmartfactoryNexttothesmartfactory

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L'SLS'libera'l'immaginazioneSLSsparksourimaginationAdditiveMadeinItaly

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Direttore responsabile:AldoFilippoRotta([email protected]) Marketing & Pubblicità: GuglielmoCalcagno([email protected]) Tel. 02 3494367Redattore Capo: LucinaCiardi([email protected]) Produzione: SoniaSchianchi([email protected]) Vendita pubblicità:GermanFederalRepublicOffice:Edelbrok Verlagsvertretung Krummer Weg 23 - D-41749 Viersene-mail: [email protected] Tel. +49 (02162) 814757

Progetto grafico:Pino Spagnolo Design

Hanno collaborato a questo numero:AnnaFiorini,LucaIuliano.

Traduzioni: DajnaAnnese.

PUBLITARGET sasSede Legale: Via G.Govone, 56 20155 Milano Tel. +39 023494367Fax: +39 0233101035

Redazione, Amministrazione e PubblicitàVia G.Govone, 56 - 20155 Milano Tel. +39 023494367 - Fax: +39 0233101035 www.eriseventi.com

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Stampa a cura di Sigraf S.p.A.-Via Redipuglia 77 24047 Treviglio (BG) Tel. 0363/300330 - Fax 0363/343282

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La riproduzione totale o parziale degli articoli e delle illustrazioni pubblicati su questa rivista è permessa previa autorizzazione della Direzione. La Direzione non assume responsabilità per le opinioni espresse dagli autori dei testi redazionali e pubblicitari.

Questonumeroèstatochiusoinredazioneil30/08/2019

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TECNOLOGIE E MATERIALI INNOVATIVI PER L'INGEGNERIZZAZIONE E L'INDUSTRIALIZZAZIONE DEL PRODOTTO

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Qualitàequantitàperl'AMinmetalloQualityandquantityforAMinmetal

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SPECIALECOMPOSITIVolerevolare-Desiretofly

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Tra le perplessità da sciogliere prima di affrontare la produzione additiva con materiali metallici, un nodo cruciale è rappresentato dalle prestazioni effettive dei manufatti finali: sono realmente paragonabili ai pezzi realizzati con le tecniche tradizionali della me-tallurgia? Un centro di competenze tecniche e laboratori di prova come TEC Eurolab è prezioso supporto nel-la valutazione di materiali e processi: il consolidato know-how e la disponibilità di una strumentazione d’avanguardia permette all’azienda di determinarne le proprietà chimiche, meccaniche e strutturali in funzione dell’utilizzo.

GARANZIE DI LABORATORIO, UN SUPPORTO PROGETTUALELa tecnologia additiva applicata al metallo fornisce notevoli vantaggi strutturali e termo-fluidodinamici per la complessità e libertà di forme che conferisce ai componenti realizzati. La densità dei componen-ti prodotti con soluzioni AM è superiore a materiali omologhi lavorati per fusione ma inferiore a quelli ottenuti da lavorazioni dal pieno. “La maggioranza delle cause di rottura dei compo-nenti in servizio è legata a fenomeni di fatica, per-

Per una lunga vita affidabile delle parti in lega di AlSi-10Mg realizzate mediante AM.

Studi di resistenza a fatica del metallo additivo

For a long, reliable life of parts in AlSi10Mg alloy made by AM.

Amongst the doubts to be cleared before dealing with additive manufacturing with metal materials, a crucial element is represented by the actual performances of final products: are they truly comparable to those ma-nufactured by traditional metallurgy processes?A center of technical expertise and test laboratories such as TEC Eurolab is a precious support in evalua-ting materials and processes: its consolidated know-how and the availability of advanced instruments allows the company to determine the chemical, me-chanical and structural properties, depending on the application.

LABORATORY GUARANTEES AND DESIGN SUPPORTAdditive technology applied to metal provides consi-derable structural and thermo-fluid dynamic advan-tages in virtue of the complexity and freedom of forms it confers onto manufactured components. The density of products made with AM solutions is superior to equivalent materials machined by infu-sion, yet inferior to those achieved by machining from billet. “Most of the causes of operating component failure are linked to fatigue occurrences, thus design optimization and the use of special materials requi-

Fatigue resistance tests on additive metal

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MERCATO SOFTWARE TECNOLOGIE MATERIALI

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tanto l’ottimizzazione della progettazione e l’utilizzo di materiali speciali richiede, accanto ai test di analisi dei materiali, uno studio statistico dei fenomeni os-servati per garantire risultati affidabili. – affermano gli ingegneri Fabrizio Rosi e Alessio Faraguti di TEC Eurolab – Un esempio è fornito da uno studio che esamina la resistenza a fatica di campioni realizzati in lega di alluminio AlSi10Mg con tecnologia additiva a letto di polvere. La resistenza di un materiale alla fatica è descritta mediante le curve tensione-cicli di Wohler (figura 2) che varia secondo il materiale. Nel grafico la regione I descrive la fatica di tipo a basso numero di cicli, la regione II la fatica a elevato numero di cicli, la III de-scrive teoricamente la vita infinita. Il limite a fatica è il valore che descrive la tensione al di sotto della quale si ipotizza una vita infinita del componente”.

PROVE DI TRAZIONE“Il materiale è anisotropo, perciò la resa di campioni realizzati con orientamento orizzontale è peggiore di quanto si può ottenere con un orientamento vertica-

res, besides analysis testing on materials, a statistical study of the phenomena observed to ensure reliable results- say engineers Fabrizio Rosi and Alessio Fara-guti at TEC Eurolab. An example is provided by a stu-dy that examines fatigue resistance of samples made in aluminum alloy AlSi10Mg with powder bed additive technology. A material’s stress-strain resistance is described by means of the Wohler stress-cycle curves (figure 2) that varies depending on the material. In the chart, region I describes the typical strain with low cycle number, region II strain with a high cycle number, III theoretically describes endless life. The endurance limit is the value that describes the stress below which one can theorize an endless life for the component”.

TENSILE TESTS“The material is anisotropic, thus the yield of samples made with horizontal orientation is worse than what can be achieved with a vertical orientation. - says en-gineers at TEC Eurolab - To speed up manufacturing time we have increased the layers’ thickness and this implies the formation of evenly distributed micro-porosities.For tensile tests we have examined the weakest sam-ples, made with horizontal orientation. From a Wei-bull analysis with two parameters on the tensile yield value (the point at which the material starts to plasti-cally deform, in an irreversible manner) of the tensile tests, what emerged was a scale parameter (that defi-nes the time required to reach 67% of failure chances) of 190 MPa and a 56 degree form parameter, calcula-ted with the regression method. The quadratic corre-lation coefficient of 95.85% shows good reliability of the implemented method.In these conditions, it is possible to establish that a confidence of 95.85% in the absence of failures is

1.Propagazione del difetto nel componente. 2. Esempio di curva di Wohler.3. Grafico di Weibull sulle prove di trazione eseguite.

1. Flaw propagation within the component. 2. Example of Wohler curve.3. Weibull chart on the performed strain tests.

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ANALISI DI RESISTENZA A FATICA DI LEGA IN ALLUMINIO AlSi10Mg REALIZZATA MEDIANTE TECNOLOGIA ADDITIVE MANUFACTURING

Ing. Giacomo Rigoni | TEC Eurolab srl. | www.tec-eurolab.com Ing. Fabrizio Rosi | TEC Eurolab srl. | www.tec-eurolab.com Ing. Alessio Faraguti | TEC Eurolab srl. | www.tec-eurolab.com

TEC Eurolab S.r.l. Viale Europa, 40 41011 Campogalliano (MO), Italia Tel. +39 059 527775 Fax +39 059 527773 P. IVA e C.F. 02452540368 REA Modena 304470 Cap. Soc. 98.800,00 € i.v. [email protected] www.tec-eurolab.com

Figura 4. Esempi di cicli di fatica.

Si definiscono ampiezza di tensioni cicliche: 𝜎𝜎𝑎𝑎 = 𝜎𝜎𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 − 𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

Si definisce rapporto di tensioni: 𝑅𝑅 = 𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝜎𝜎𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚⁄

La resistenza di un materiale alla fatica viene descritta mediante le curve tensione-cicli (S-N) di Wohler (figura 5). Il tipo di curva che en descrive il comportamento dipende dal materiale (figura 6); agli acciai presentano spesso un gomito caratteristico che descrive il limite a fatica, mentre leghe leggere presentano un asintoto orizzontale. Il limite a fatica descrive la tensione al di sotto della quale si ipotizza una vita infinita del componente.

Figura 5. Esempio di curva di Wohler Figura 6. Propagazione del difetto nel componente.

Regione I descrive la fatica di tipo oligociclico; Regione II descrive fatica ad elevato numero di cicli; regione II descrive teoricamente la vita infinita. Le fasi dello sviluppo della cricca sono diverse a seconda dei casi, possiamo considerare: Stadio 0. Incrudimento o addolcimento del materiale a causa della redistribuzione delle dislocazioni. Stadio 1, le cricche di fatica tendono a nascere sulla superficie o in prossimità della stessa. Solitamente In presenza di un intaglio o di una discontinuità superficiale. Sulla superficie le tensioni (flessione, torsione) tendono ed essere superiori rispetto a cuore. Inoltre possono essere presenti tensioni superficiali residue originate dalle lavorazioni precedenti. In assenza di discontinuità superficiali la nucleazione può avvenire in presenza di bande di scorrimento persistenti; il movimento di scorrimento genera estrusioni ed intrusioni di materiale in base al tipo di carico, di compressione e di trazione rispettivamente. La spiegazione del fenomeno è legato la movimento delle dislocazioni cristalline, che tendono ad unirsi lungo una direttrice a causa dell’azione ripetuta dei carichi. Infine è opportuno considerare l’ambiente in cui il componente è in servizio, la corrosione favorisce velocemente la formazione di discontinuità superficiali. Altri tipi di discontinuità possono essere cavità, pori, inclusioni. Stadio 2. La crescita della cricca avviene quando la cricca cambia direzione e si propaga in direzione normale rispetto alle tensioni applicate. L’avanzamento continua con un’alternanza di assottigliamento e smussatura della frattura, generando le caratteristiche striature. In generale, la crescita della cricca è correlata al parametro di concentrazione




3.0 ANALISI MATERIALE AlSi10Mg Il materiale oggetto di studio è una lega Al-Si realizzata mediante tecnologia a letto di polvere e fusione Laser. Il materiale è da considerarsi anisotropo e lo sviluppo di provini orizzontali risulta essere peggiore rispetto a quello verticale. Inoltre la dimensione dei layer di crescita è stata appositamente incrementata per velocizzare i tempi di produzione, ma con l’inconveniente di generare microporosità uniformemente distribuite. 3.1 PROVE DI TRAZIONE Sono state prese in considerazione le prove eseguite sui provini orizzontali a titolo cautelativo. I risultati delle prove sono riportati in tabella 1. Da un analisi di Weibull a due parametri Figura (12) sui valori di snervamento delle prove di trazione sono emersi un parametro di scala di 190MPa ed un parametro di forma di 56gradi, calcolati con il metodo di regressione. Il coefficiente di correlazione quadratico del 95,85% dimostra una buona attendibilità del metodo utilizzato. In queste condizioni si può stabilire che una fiducia del 99,9% dell’assenza di rotture è garantita da un carico di snervamento di 184MPa. Un’analisi statistica più cautelativa del campione di prove sulla popolazione, mediante il parametro di T-Student, rileva che con la medesima fiducia si ha un valore minimo di 172MPa.

Tabella 1.

Sample Posizione Alloy Diametro L0 Rm Reh Strizione

mm mm MPa MPa % 1 orizzontale AlSi10Mg 6,23 25 340 192 7,5

2 orizzontale AlSi10Mg 6,23 25 331 193 7,5







Figura 12. Grafico di Weibull sulle prove di trazione eseguite.

3.2 PROVE DI FATICA A BASSO NUMERO DI CICLI LCF (DEFORMAZIONE IMPOSTA)

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Resistenza meccanica

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ensured by a yield strength of 184MPa. In a more precautionary statistical analysis of the test sample on the population that uses the T-Student parameter, the same percentage of confidence can be achieved with a minimum value of 172MPa”.

FATIGUE TEST WITH LOW NUMBER OF CYCLES“Starting from the test curve of the sample with worst yield strength, the engineering curve and the real one have been assessed - explain Rosi and Faraguti - Then, exploiting data of the cyclic tests performed at low frequency, the engineering curve has been compared with the cyclic one. From this first analysis, it appears that the material undergoing strain tends to soften.An analysis following the hypothesis of Basquin and Manson Coffin leads to the construction of the defor-mation-life chart (figure 6). Deformations in the pla-stic field bring to a life of about one million cycles, while to obtain marked resistance it is necessary to have sufficiently low elastic deformations.Intending to realize a strain-life evaluation, we repre-sented the tensions in the elastic field from Basquin hypothesis and the experimental tests HCF (high number of cycles) carried out to determine the fati-gue limit. To the experimental values of strain tension limit we applied several reduction coefficients; the Bridgmann coefficient related to triaxle tensions du-ring failure, the coefficient concerning the specific vo-lume (the real volume of the component in operation) and the coefficient involving the type of applied load

le. - proseguono gli ingegneri di TEC Eurolab - Per ac-celerare i tempi di produzione abbiamo incrementato gli spessori dei layer, e questo implica la formazione di microporosità uniformemente distribuite. Per le prove di trazione abbiamo preso in considera-zione i provini più deboli, realizzati con orientamento orizzontale. Da un’analisi di Weibull a due parametri sui valori di snervamento (il punto in cui il materiale incomincia a deformarsi plasticamente, in maniera irreversibile) delle prove di trazione sono emersi un parametro di scala (che definisce il tempo necessa-rio a raggiungere il 67% di probabilità di rottura) di 190MPa e un parametro di forma di 56gradi, calcolati con il metodo di regressione. Il coefficiente di corre-lazione quadratico del 95,85% dimostra una buona attendibilità del metodo utilizzato. In queste condizioni si può stabilire che una fiducia del 99,9% dell’assenza di rotture è garantita da un carico di snervamento di 184MPa. In un’analisi sta-tistica più cautelativa del campione di prove sulla popolazione che utilizza il parametro di T-Student, la stessa percentuale di fiducia può essere ottenuta con un valore minimo di 172MPa”.

PROVE DI FATICA A BASSO NUMERO DI CICLI “Partendo dalla curva di prova del provino con cari-co di snervamento peggiore sono state verificate le curve ingegneristica e quella vera. - spiegano Rosi e Faraguti - Sfruttando poi i dati delle prove cicliche eseguite a bassa frequenza sono state messe a con-fronto la curva ingegneristica con quella ciclica. Da questa prima analisi emerge che il materiale solleci-tato a fatica tende ad addolcirsi. Un’analisi secondo le ipotesi di Basquin e Manson Coffin porta alla costruzione del grafico deformazio-ne – vita (figura 6). Le deformazioni in campo plastico portano a una vita di circa 1 milione di cicli, mentre per ottenere una marcata resistenza è necessario 24

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Partendo dalla curva di prova del provino con carico di snervamento peggiore sono state verificate le curve ingegneristica e quella vera. Sfruttando poi i dati delle prove cicliche eseguite a bassa frequenza sono state messe a confronto la curva ingegneristica con quella ciclica (figura 13). Da questa prima analisi emerge che il materiale oggetto di studio, sollecitato a fatica, tende ad addolcirsi (figura 14).

Figura 13. Confronto tra curva ingegneristica e vera. Figura 14. Confronto tra curva ingegneristica e curva tensioni cicliche Stabilizzate. Un analisi secondo le ipotesi di Basquin e Manson Coffin portano alla costruzione del grafico deformazione – vita rappresentato in figura 15. Risulta interessante valutare le deformazioni in campo plastico portano ad una vita di circa 1 milione, mentre avere una resistenza a fatica ad elevato numero è necessario avere deformazioni elastiche sufficientemente basse.

Figura 15. Curva di deformazione-Vita chiamato di Basquin-Coffin.

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4. 5.

4. Confronto tra curva ingegneristica e vera. 5. Confronto tra curva ingegneristica e curva tensioni cicliche Stabi-lizzate.

4. Comparison between engineering curve and real curve. 5. Comparison between engineering curve and stabilized cyclic tension curve.



avere deformazioni elastiche sufficientemente basse. Volendo realizzare una valutazione tensione-vita sono state rappresentate le tensioni in ambito ela-stico dalle ipotesi di Basquin e le prove sperimentali HCF (ad alto numero di cicli) eseguite per determina-re il limite di fatica. Ai valori sperimentali di tensione limite di fatica sono stati applicati diversi coefficienti di riduzione; il coefficiente Bridgmann relativo alle tensioni triassiali in fase di rottura, il coefficiente re-lativo al volume specifico (il volume reale del com-ponente in esercizio) e il coefficiente relativo al tipo di carico applicato (flessione, torsione…). Infine, ab-biamo eseguito una correzione statistica valutando il numero di campioni utilizzati e di fiducia tipo t-Stu-dent e mediante i coefficienti e la fiducia di Weibull”.

CONCLUSIONI“Il materiale ha mostrato microimperfezioni che pos-sono influenzare negativamente la vita in esercizio del componente finale, tuttavia queste imperfezio-ni erano state inserite volutamente per verificare le caratteristiche meccaniche minime. Il fenomeno di addolcimento rilevato nelle curve cicliche è dovuto al fatto che il materiale non è stato disteso corret-tamente dopo la produzione dei provini. Materiali incruditi (induriti) tendono a distendersi (addolcirsi), mentre materiali dolci tendono a subire il fenomeno opposto. È stato verificato – concludono gli ingegne-ri - che sulle superfici sono presenti tensioni residue piuttosto elevate, che devono essere prese in consi-derazione nelle ipotesi di deformazione vita”.

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(bending, torsion..). In the end we carried out a sta-tistical correction evaluating the number of samples used and of t-Student type confidence and through the coefficients and the Weibull confidence”.

CONCLUSIONS“The material has shown micro-imperfections that can negatively affect operating life of the final com-ponent; however these imperfections had been added intentionally to check the minimum mechanical fea-tures.The softening phenomenon detected in the cyclic cur-ves is caused by the fact that the material has not been stretched correctly after sample manufacturing. Hardened materials tend to stretch (soften) while soft materials tend to undergo the opposite phenomenon. We have assessed- say engineers- that on the surfa-ces there were quite high residual tensions that must be taken into consideration in the hypothesis of life deformation”.

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Volendo realizzare una valutazione tensione vita sono state rappresentate le tensioni in ambito elastico dalle ipotesi di Basquin e le prove sperimentali HCF eseguite per determinare il limite di fatica (figura 16).

Figura 16. Curva di Wohler sperimentale raffrontata con la curva previsionale ottenuta dalle analisi LCF

Ai valori sperimentali di tensione limite di fatica è opportuno applicare i seguenti coefficienti di riduzione:

C tensioni triassiali in fase di rottura ( tramite il coefficiente di Bridgmann), C relativo al volume specifico (in rapporto al volume reale del componente in esercizio) C relativo al tipo di carico applicato (flessione, torsione,…) Ed infine eseguire una correzione statistica valutando il numero di campioni utilizzati e di fiducia tipo T_student oppure mediante i coefficienti e la fiducia di Weibull. 3.3 CONCLUSIONI Il materiale oggetto di studio ha rilevato micro imperfezioni che possono influenzare negativamente la vita in esercizio del componente finale. Tuttavia tali imperfezioni erano state volutamente introdotte al fine di verificare le caratteristiche meccaniche minime del materiale. Il fenomeno di addolcimento rilevato nelle curve cicliche è dovuto al fatto che il materiale non è stato disteso correttamente dopo la produzione dei provini. Materiali incruditi/induriti tendono a distendersi/addolcirsi, mentre materiali dolci tendono a subire il fenomeno opposto. E’ stato verificato che sulle superfici sono presenti tensioni residue di elevata entità; tali tensioni vanno considerate nelle ipotesi di deformazione vita.

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CURVA DI WOHLER Curva previsionale dalle analisi LCF Prove HCF Power (Prove HCF)

6.

7.

6. Curva di deformazione-Vita chiamato di Basquin-Coffin. 7. Curva di Wohler sperimentale raffrontata con la curva previsionale ottenuta dalle analisi LCF.

6. Deformation-life curve by Basquin-Coffin. 7. Experimental Wohler curve compared with the estimated curved archi-ved through LCF analysis.



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