Quality in Laser Powder Bed Fusion: from print location effects to sustainable powder reuse and recycling

In the last decades, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) has established itself as one of the most promising metal additive manufacturing technologies, owing to its ability to fabricate complex geometries, minimize material waste, and enable unprecedented design freedom. At the same time, L-PBF also represents an enabling tool for sustainable production models, as it reduces the buy-to-fly ratio and enables local, on-demand manufacturing. Nevertheless, significant variability in the quality and performance of manufactured parts remains difficult to control, leading to insufficient reproducibility across different machines and build jobs. Furthermore, the high cost of feedstock powders and their energy-intensive production processes pose a significant challenge to the economic competitiveness of L-PBF. Ensuring the consistent quality of manufactured parts and promoting sustainable practices are, therefore, crucial challenges that ought to be addressed to foster the industrial-scale adoption of L-PBF in the manufacturing field. The objective of this thesis is to conduct an in-depth study of L-PBF processing to expand its applicability in industrial contexts, focusing on both the consistency of part quality and the implementation of sustainable practices. To this end, the research was developed along three main directions. The first research direction involves the print location on manufactured parts, an often underestimated parameter that nonetheless affects dimensional accuracy, surface finish, and defect distribution. The second research direction investigated the reuse of unfused powders, which is widely regarded as essential to reduce material costs and environmental footprint. Finally, the third part of the thesis explored the feasibility of processing recycled INCONEL® 725 powder.

Negli ultimi decenni, la Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) si è affermata come una delle più promettenti tecnologie di manifattura additiva metallica, grazie alla capacità di realizzare geometrie complesse, ridurre gli sprechi di materiale e offrire un livello senza precedenti di libertà progettuale. Allo stesso tempo, l’L-PBF rappresenta anche uno strumento abilitante per modelli produttivi sostenibili, poiché riduce il buy-to-fly ratio e consente una produzione locale e su richiesta. Tuttavia, permane una significativa variabilità nella qualità e nelle prestazioni dei componenti prodotti, difficile da controllare e tale da compromettere la riproducibilità tra diverse macchine e cicli di costruzione. Inoltre, l’elevato costo delle polveri di alimentazione e i processi energivori necessari per la loro produzione costituiscono una sfida rilevante per la competitività economica dell’L-PBF. Garantire una qualità costante dei componenti e promuovere pratiche sostenibili rappresentano, quindi, sfide cruciali da affrontare per favorire l’adozione su scala industriale della tecnologia L-PBF nel settore manifatturiero. L’obiettivo di questa tesi è condurre uno studio approfondito sul processo L-PBF per ampliarne l’applicabilità in contesti industriali, con particolare attenzione sia alla consistenza della qualità dei manufatti sia all’implementazione di pratiche sostenibili. In questa prospettiva, la ricerca è stata sviluppata lungo tre direttrici principali. La prima riguarda la posizione di stampa dei componenti, un parametro spesso sottovalutato che influisce tuttavia sull’accuratezza dimensionale, sulla finitura superficiale e sulla distribuzione dei difetti. La seconda concerne il riutilizzo delle polveri non fuse, generalmente considerato essenziale per ridurre i costi dei materiali e l’impatto ambientale. Infine, la terza parte della tesi ha esplorato la fattibilità della lavorazione di polvere riciclata di INCONEL® 725.