RISPOSTA MECCANICA DELLA LEGA Ti6Al4V-ELI PRODOTTA PER ELECTRON BEAM MELTING

The Ti6Al4V-ELI Alloy is widely adopted in many high-end applications in different fields including aerospace, biomechanics, and automotive. Additive manufacturing extends its range of possible applications but also introduces variations in its mechanical performance, depending on the whole manufacturing process and the related control parameters. This work focuses on the detailed tensile stress-strain characterization at static, medium and high strain rates of a Grade 23 Ti alloy manufactured by Electron Beam Melting (EBM) and, in particular, on the effect of the variation of the EBM process parameters on the performance of the material. The adopted optical experimental setups allow the semi-local scale analysis of the neck section which makes possible the accurate estimation of stress, strain, and strain rate, all over the post-necking range and up to the very incipient specimen failure. During the first static tensile test campaign, the material are ran at static rates for investigating the effects of different fabrication parameters on the material response, namely the speed function, the line offset, the focus offset, the number of contours and the horizontal-vertical growing direction of the specimens. The speed function was identified as the one mainly affecting the material performance at static rates. For the second campaign, two different materials, respectively corresponding to the standard value and to an optimized value of the speed function parameter, are manufactured and tested here at dynamic rates of 1, 15 and 700 1/s, for assessing the effect of the speed function parameter on the dynamic material response. The results show that the optimized material has better performance compared to the standard one in terms of strength and ductility in both static and dynamic conditions and it is also characterized by a higher strain rate sensitivity. Material characterization and FEM modelling represent a subject of great interest both in modern industry and in the R&D field. In this research, after the mechanical characterization of the Ti Grade 23, microlattice structures have been studied. An elementary cell has been designed and an experimental static test campaign has been carried out to evaluate the mechanical characteristics of the lattice structure varying the size of the elementary cell. Fem model was designed and optimized to replicate the static results using the optimized material of the first phase of study.

La lega Ti6Al4V-ELI (Ti Grade 23) è ampiamente adottata in molte applicazioni industriali in diversi campi d’applicazione tra cui aerospaziale, biomeccanica e automobilistico. La tecnologia additiva negli anni ha permesso di estendere la gamma di possibili applicazioni ma ha introdotto anche variazioni nelle prestazioni Meccaniche dei prodotti realizzati, a seconda dello specifico processo di produzione e dei relativi parametri di controllo. Questa ricerca è focalizzata sulla caratterizzazione meccanica, a velocità di deformazione (strain rate) statica, media e alta, della lega di Titanio grado 23 prodotta mediante tecnologia Electron Beam Melting (EBM) e, in particolare, sull'effetto della variazione dei parametri di processo sulle prestazioni Meccaniche del materiale stampato. Ai fini della caratterizzazione del materiale è stata utilizzata una metodologia di studio, su scala locale della sezione di strizione (o come più volte riportato necking) mediante analisi delle immagini, che ha permesso la stima accurata di sollecitazione, deformazione e velocità di deformazione, in tutto l'intervallo post-strizione e fino alla rottura del provino. Durante la prima campagna di test di trazione statica, sono stati studiati gli effetti di diversi parametri di produzione sulla risposta del materiale, vale a dire la speed function, line offset, focus offset, number of contours e l’orientamento dei componenti rispetto la direzione di fusione. La speed function è stata identificata come il parametro che influenza maggiormente le prestazioni del materiale a velocità statiche (0,003 1/s). Per la seconda campagna di test, sono stati considerati due diversi materiali, rispettivamente corrispondenti al materiale stampato con parametri standard ed a quello stampato con il valore ottimizzato della speed function. I provini così realizzati sono stati prodotti e testati a velocità dinamiche di 1, 15 e 700 1/s, per valutare l'effetto del parametro speed function sulla risposta dinamica del materiale. I risultati mostrano che il materiale ottimizzato ha prestazioni migliori rispetto quello standard in termini di resistenza e duttilità sia in condizioni statiche che dinamiche ed è inoltre caratterizzato da una maggiore sensibilità alla velocità di deformazione. La caratterizzazione dei materiali e la modellazione FEM rappresentano un argomento di grande interesse sia nell'industria moderna che nel campo della ricerca e sviluppo. In questa ricerca, dopo la caratterizzazione meccanica del Ti Grado 23, sono state studiate le note strutture trabecolari o “cellulari” anche dette lattice structures, molto diffuse nel campo biomedicale per le spiccate capacità di osteointegrazione di tali strutture. È stata progettata una cella elementare ed è stata condotta una campagna di prove statiche sperimentali per valutare le caratteristiche meccaniche della struttura reticolare al variare delle dimensioni della suddetta cella elementare. Un modello FEM è stato ottimizzato per replicare i risultati statici utilizzando il materiale ottimizzato della prima fase di studio.