Innovative mass finishing processes for additively manufactured metallic components

Mass finishing (MF) processes are surface treatments carried out in vibrating or rotating machines where components to be polished are loaded together with abrasive media, water, and chemical compounds: the abrasive mechanical action of media on components surfaces provides the final finishing, resulting in surface smoothening, cleaning, and brightening. MF processes are widely applied in many industrial sectors because of their versatility, the possibility to treat many components simultaneously trough automated processes, and low-cost equipment. Despite its wide applicability, MF presents some limitations: material removal rate is low, highly rough components are hardly smoothened, internal surfaces are poorly accessible and complex geometries are challenging. These features are often found on components produced by additive manufacturing (AM), which is an emerging manufacturing technology that allows to produce complex shaped workpieces with internal cavities, channels and geometries that cannot be obtained with conventional manufacturing processes. Laser Powder Bad Fusion (LPBF) is the most widespread AM technology for metallic materials: components are produced layer-by-layer through a laser that locally melts metallic powders. As-built surfaces present several defects generated during the printing process such as ballings, spatters, laser tracks, and partially melted powders. These defects contribute to the enhancement of surface roughness that is much larger compared to that of components produced with conventional manufacturing processes: Ra generally ranges from 5 µm to more than 35 µm depending on surface orientation and printing parameters. Because of high initial roughness, surface anisotropy and the entity of surface defects, the applicability of as-built components is often limited. The issue of AM components surface finishing can not be only addressed by the optimization of AM processes because of its intrinsic complexity and the wide variety of process parameters. Therefore, complementary surface engineering approaches for post-processing are required. Surface treatments are needed to remove defect-rich external layers and to provide proper surface cleaning and smoothening in hard-to-reach areas. Several treatments are proposed in the literature to face the challenge of AM components surface finishing, they can be classified as mechanical, chemical, electrochemical and physical treatments. Among these, MF processes have also been extensively tested. All these processes have advantages and limitations. For instance, processes used for rough polishing, which are normally very energetic and used to address highly rough surfaces, are not suitable for fine polishing and vice versa. The treatment of internal surfaces or components with very complex geometries is not possible with mechanical or electrochemical processes, where a tool, media or electrode must reach the surface to be treated or its proximity. For these reasons, multi-step processes are often proposed, which address the deficiencies of individual processes by combining them. The aim of the presented research is to develop innovative mass finishing processes to overcome actual limitations of conventional ones, extending their applicability to the treatment of components produced by metal AM. New processes target to increase material removal rate, to smooth surfaces characterized by high initial roughness, to improve surface homogeneity and brightness, and to be applied on components with complex geometries and internal surfaces. This objective has been pursued by developing two processes combining mass finishing technology with chemical polishing (CP) and electrochemical polishing (EP) in single-step processes. Chemically assisted Mass finishing Processes (CMP) point to combine the abrasive effect of media with the chemical effect of compounds able to remove material from the surface through controlled oxidation reactions. Electrochemically assisted Mass finishing Processes (EMP) target to synergistically merge electrochemical effects provided by components polarization together with mechanical abrasion of the media. This study focused on the treatment of AISI 316L steel specimens produced with LPBF technology. Concerning CMP, chemical solutions were studied by immersion tests, monitoring roughness, material removal rate and surface morphological evolution: HCl – FeCl3 and HCl – HNO3 – H3PO4 mixtures were considered. A lab-scale tumbler was used to investigate the combined effect of media and chemicals. The most suitable solution for CMP processes was found to be composed of 250 g/l of FeCl3 + 100 g/l of HCl, while the effect of the composition of the abrasives was found to be of secondary importance. Based on laboratory experiences, two industrial-scale prototypes, equipped to manage the combination of chemicals and media, were developed and installed in Rösler laboratories to carry out industrial-scale tests. In-mass tests were performed with the prototypes on plates printed with different orientations: the average Ra decreased from 12,89 ± 9,12 µm to 2,57 ± 0,47 µm in 4 hours of process (ΔRa% = - 75,9%), with a percentage reduction greater than 10,5% compared to CP processes and 32,7% compared to MF processes. Printing defects were successfully removed within the first hour of treatment. Roughness was also significantly reduced on samples with downskin surfaces: under the least favourable printing conditions Ra decreased from 34,78 ± 2,66 µm to 3,27 ± 0,30 µm: surface homogeneity was improved as the Ra difference between the smoothest and roughest surface was reduced to less than 2 µm. Material removal rate increased from about - 0,4 mg/cm2h to about - 0,07 g/cm2h upon chemical addition. Similar results were achieved on a complex-shaped sample designed to present different features typical of AM production: average Ra decreased from 14,49 ± 9,62 µm to 2,77 ± 0,35 µm in 4 hours of treatment, and material removal rate was about – 80 µm/h. The effectiveness of CMP processes on the treatment of channels internal surfaces was proved by results obtained on channels with increasing geometrical complexity and length: average Ra was reduced to values between 2,70 ± 0,05 µm and 3,42 ± 0,68 µm regardless of samples’ geometry. Finally, it was verified that the use of chemical solutions did not alter the surface composition, mechanical properties, or corrosion resistance of the material. Furthermore, the exhaustion of chemical solutions was evaluated, whose reactivity significantly decreases after the dissolution of 20 g/l of steel. Regarding EMP, electrolytes physico-chemical properties were studied by measuring electrical conductivity, density and viscosity, and by running cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. Both commonly used acid-based electrolytes and innovative neutral salt-based electrolytes were considered: solutions containing 8,75 M of H3PO4 + 2,15 M of H2SO4 + 0,3 m of TEA, and 600 g/l of NaNO3 resulted the most effective respectively. Conventional EP tests were carried out to optimized process parameters: both direct current and pulsed-reverse current modes were studied, as the effect of electrolyte composition, current density, pulse period and duty cycle. On vertically printed samples Ra was reduced to 0,51 ± 0,05 µm in 180 minutes at 25 A/dm2 in acid-based electrolytes, while it decreased to 0,61 ± 0,02 µm in 15 minutes at 75 A/dm2 in salt-based electrolytes; brightness increased to about 400 GU accordingly. Printing defects were removed in the first quarter of treatment. To investigate the combination of MF and EP, a lab-scale vibratory machine was equipped with two electrodes holders through which electrodes were immersed in the bowl containing spherical shaped media and the liquid electrolytes. With EMP, results qualitatively equivalent to those obtained with EP were reached in half process time: on vertically printed samples treated with acid-based electrolytes Ra decreased to 0,64 ± 0,15 µm in 90 minutes, and to 0,22 ± 0,06 µm in 180 minutes. Brightness was about 300 GU after 90 minutes and exceeded 450 GU after 180 minutes. Only acid-based electrolytes resulted compatible with EMP processes. Material removal rate for EMP was about 0,15 g/cm2h. EMP treatments were effective in treating surfaces with different orientations and components with complex geometry: on surfaces printed in the less favorable direction Ra was reduced from 36,25 ± 4,41 µm to 1,11 ± 0,24 µm. Finally, compositional analysis, mechanical performances and corrosion resistance were assessed upon surface treatments. The effect of steel dissolution within the electrolyte and the consequent degradation was also evaluated. Both CMP and EMP approaches succeeded in overcoming the limitations of conventional MF processes in the treatment of components produced by AM. The fruitful combination of MF and CP or EP allowed for improving material removal rate, treating surfaces characterized by high initial roughness, and approaching components characterized by complex geometries and internal surfaces. Finally, the work defines some guidelines for the approach to the complex problem of surface treatment of metallic components produced by AM, investigating different technologies and their synergistic combination. A decision-making process is suggested for the definition of surface treatments based on the specific requirements and component features.

I processi di finitura di massa (Mass Finishing, MF) sono trattamenti superficiali eseguiti in macchine a vibrazione o a rotazione, all'interno delle quali i componenti da trattare vengono caricati insieme a materiali abrasivi (media), acqua e opportuni composti chimici. L'azione meccanica abrasiva esercitata dai media sulle superfici dei componenti consente di ottenere la finitura desiderata, producendo effetti di levigatura, pulizia e brillantatura. Grazie alla loro versatilità, alla possibilità di trattare simultaneamente un elevato numero di componenti mediante processi automatizzati e al costo relativamente contenuto delle attrezzature, i processi di MF trovano ampia applicazione in numerosi settori industriali. Nonostante la loro diffusione, tali processi presentano alcune limitazioni: una ridotta velocità di asportazione del materiale, una scarsa efficacia nel trattamento di superfici caratterizzate da elevata rugosità iniziale, una limitata accessibilità alle superfici interne e difficoltà operative nel trattamento di componenti con geometrie particolarmente complesse. Queste criticità risultano particolarmente evidenti nel caso di componenti realizzati mediante manifattura additiva (Additive Manufacturing, AM), una tecnologia produttiva emergente che consente la fabbricazione di manufatti caratterizzati da geometrie complesse, cavità interne, canali e forme non ottenibili mediante processi convenzionali. Tra le tecnologie di AM per materiali metallici, la tecnologia laser a letto di polveri (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) rappresenta attualmente la soluzione più diffusa. In questo processo, i componenti vengono costruiti strato su strato tramite un fascio laser che fonde localmente la polvere metallica. Le superfici allo stato as-built presentano numerosi difetti generati durante il processo di fabbricazione, quali fenomeni di balling, spatter, tracce laser e particelle parzialmente fuse. Tali difetti contribuiscono ad aumentare significativamente la rugosità superficiale, che risulta generalmente molto superiore rispetto a quella ottenibile mediante tecnologie produttive convenzionali. In particolare, i valori di rugosità media aritmetica (Ra) variano tipicamente da circa 5 µm fino a oltre 35 µm, in funzione dell'orientazione di stampa e dei parametri di processo adottati. A causa dell'elevata rugosità iniziale, dell'anisotropia superficiale e dell'entità dei difetti presenti, l'impiego diretto dei componenti prodotti mediante AM risulta spesso limitato. La problematica della finitura superficiale non può essere affrontata esclusivamente mediante l'ottimizzazione dei parametri di produzione additiva, a causa della complessità intrinseca del processo e dell'elevato numero di variabili coinvolte. Diventa pertanto necessario ricorrere a strategie complementari di ingegneria delle superfici per il trattamento post-stampa, finalizzate alla rimozione degli strati superficiali ricchi di difetti e all'ottenimento di adeguati livelli di pulizia e levigatura anche in aree difficilmente accessibili. In letteratura sono stati proposti numerosi trattamenti per affrontare la sfida della finitura superficiale dei componenti AM, classificabili in processi meccanici, chimici, elettrochimici e fisici. Tra questi, anche i processi MF sono stati ampiamente studiati. Ciascuna tecnologia presenta tuttavia vantaggi e limitazioni specifiche. Ad esempio, i processi destinati alla sgrossatura, caratterizzati da elevata aggressività e utilizzati per il trattamento di superfici altamente rugose, non risultano generalmente idonei alle operazioni di finitura fine, e viceversa. Inoltre, il trattamento di superfici interne o di componenti caratterizzati da geometrie molto complesse è difficilmente realizzabile mediante processi meccanici o elettrochimici, nei quali utensili, abrasivi o elettrodi devono necessariamente raggiungere la superficie da trattare o operare nelle sue immediate vicinanze. Per tali ragioni, vengono spesso proposti approcci multi-step, nei quali diverse tecnologie vengono combinate per compensare reciprocamente le rispettive limitazioni. L'obiettivo della ricerca presentata consiste nello sviluppo di processi innovativi di finitura di massa in grado di superare le limitazioni dei processi convenzionali, estendendone l'applicabilità al trattamento di componenti metallici realizzati mediante AM. I nuovi processi sono stati progettati con l'obiettivo di incrementare la velocità di asportazione del materiale, levigare superfici caratterizzate da elevata rugosità iniziale, migliorare l'omogeneità e la brillantezza superficiale e consentire il trattamento di geometrie complesse e superfici interne. Per il raggiungimento di tali obiettivi sono stati sviluppati due processi innovativi che combinano la tecnologia del MF con la lucidatura chimica (Chemical Polishing, CP) e con la lucidatura elettrochimica (Electrochemical Polishing, EP) all'interno di un unico processo. I processi di finitura di massa chimicamente assistiti (Chemically Assisted Mass Finishing Processes, CMP) mirano a combinare l'azione abrasiva dei media con l'azione chimica di soluzioni capaci di rimuovere materiale mediante reazioni di ossidazione controllata. I processi di finitura di massa elettrochimicamente assistiti (Electrochemically Assisted Mass Finishing Processes, EMP), invece, sfruttano sinergicamente gli effetti elettrochimici indotti dalla polarizzazione anodica dei componenti e l'azione abrasiva esercitata dai media. Lo studio è stato condotto su provini in acciaio inossidabile AISI 316L realizzati mediante tecnologia LPBF. Per quanto riguarda i processi CMP, le soluzioni chimiche sono state preventivamente studiate mediante prove di immersione, monitorando l'evoluzione della rugosità, la velocità di asportazione del materiale e le modifiche morfologiche delle superfici. Sono state investigate miscele a base di HCl–FeCl₃ e HCl–HNO₃–H₃PO₄. Successivamente è stato impiegato un rotobarile da laboratorio per valutare l'effetto combinato di abrasivi e soluzioni chimiche. La soluzione risultata più idonea per i processi CMP è composta da 250 g/L di FeCl₃ e 100 g/L di HCl, mentre la composizione dei media abrasivi ha mostrato un'influenza secondaria sulle prestazioni del processo. Sulla base dei risultati ottenuti in laboratorio sono stati progettati, realizzati e installati presso i laboratori Rösler due prototipi in scala industriale appositamente concepiti per la gestione simultanea di abrasivi e agenti chimici. Le prove industriali sono state eseguite su piastre stampate con differenti orientazioni. In tali condizioni, la rugosità media Ra si è ridotta da 12,89 ± 9,12 µm a 2,57 ± 0,47 µm dopo quattro ore di trattamento, corrispondenti a una riduzione del 75,9%. Tale risultato risulta superiore di oltre il 10,5% rispetto alla sola lucidatura chimica e del 32,7% rispetto al MF convenzionale. I difetti tipici del processo di stampa sono stati completamente rimossi già entro la prima ora di trattamento. Riduzioni significative della rugosità sono state inoltre ottenute su superfici downskin. Nelle condizioni di stampa meno favorevoli, la rugosità Ra è passata da 34,78 ± 2,66 µm a 3,27 ± 0,30 µm. Parallelamente, è stato osservato un significativo miglioramento dell'omogeneità superficiale, con una differenza inferiore a 2 µm tra le superfici inizialmente più lisce e quelle più rugose. L'aggiunta della componente chimica ha determinato un marcato incremento della velocità di asportazione del materiale, passata da circa 0,4 mg/cm²h a circa 0,07 g/cm²h. Risultati analoghi sono stati ottenuti su campioni con geometria complessa progettati per incorporare differenti caratteristiche tipiche della manifattura additiva. In questo caso la rugosità media è diminuita da 14,49 ± 9,62 µm a 2,77 ± 0,35 µm in quattro ore di trattamento, con una velocità di asportazione pari a circa 80 µm/h. L'efficacia dei processi CMP nel trattamento delle superfici interne è stata dimostrata mediante prove su canali caratterizzati da lunghezze e complessità geometriche crescenti. In tutti i casi la rugosità media è stata ridotta a valori compresi tra 2,70 ± 0,05 µm e 3,42 ± 0,68 µm, indipendentemente dalla configurazione geometrica dei campioni. È stato inoltre verificato che l'impiego delle soluzioni chimiche non altera la composizione superficiale del materiale, le sue proprietà meccaniche né la resistenza alla corrosione. Infine, è stato valutato il fenomeno di esaurimento delle soluzioni, evidenziando una significativa riduzione della reattività dopo la dissoluzione di circa 20 g/L di acciaio. Per quanto concerne i processi EMP, le proprietà fisico-chimiche degli elettroliti sono state studiate mediante misure di conducibilità elettrica, densità e viscosità, nonché tramite analisi elettrochimiche quali voltammetria ciclica e spettroscopia di impedenza elettrochimica. Sono stati considerati sia elettroliti acidi convenzionali sia elettroliti neutri a base salina. Le soluzioni più efficaci sono risultate essere rispettivamente una miscela contenente 8,75 M di H₃PO₄, 2,15 M di H₂SO₄ e 0,3 M di TEA, e una soluzione contenente 600 g/L di NaNO₃. Le prove di elettrolucidatura convenzionale sono state utilizzate per ottimizzare i parametri di processo, investigando sia modalità a corrente continua sia a corrente pulsata inversa, nonché l'influenza della composizione dell'elettrolita, della densità di corrente, del periodo degli impulsi e del duty cycle. Su campioni prodotti con orientazione verticale, la rugosità Ra è stata ridotta fino a 0,51 ± 0,05 µm in 180 minuti utilizzando una densità di corrente di 25 A/dm² in elettroliti acidi. Utilizzando elettroliti a base salina, invece, sono stati raggiunti valori di 0,61 ± 0,02 µm in soli 15 minuti a 75 A/dm². Contestualmente, la brillantezza superficiale è aumentata fino a circa 400 Gloss Units (GU). Anche in questo caso, i difetti di stampa sono stati eliminati nelle prime fasi del trattamento. Per studiare la combinazione tra MF ed EP, una macchina vibrante da laboratorio è stata opportunamente modificata mediante l'installazione di due supporti per gli elettrodi che consentivano l'immersione degli elettrodi all'interno della vasca contenente media sferici e l'elettrolita. Attraverso il processo EMP sono stati ottenuti risultati qualitativamente equivalenti a quelli dell'elettrolucidatura convenzionale, ma in tempi di trattamento dimezzati. Utilizzando elettroliti acidi, la rugosità dei campioni stampati verticalmente è diminuita fino a 0,64 ± 0,15 µm dopo 90 minuti e a 0,22 ± 0,06 µm dopo 180 minuti di trattamento. La brillantezza superficiale ha raggiunto circa 300 GU dopo 90 minuti e ha superato 450 GU dopo 180 minuti. Solamente gli elettroliti a base acida si sono dimostrati compatibili con il processo EMP. La velocità di asportazione del materiale è risultata pari a circa 0,15 g/cm²h. I trattamenti EMP si sono dimostrati efficaci anche nel caso di superfici orientate secondo le condizioni di stampa più sfavorevoli (downskin) e di componenti a geometria complessa. In particolare, la rugosità Ra è stata ridotta da 36,25 ± 4,41 µm a 1,11 ± 0,24 µm sulle superfici orientate a 45° in downskin. Analogamente a quanto osservato per il CMP, sono state condotte analisi volte a valutare composizione chimica superficiale, proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione dopo il trattamento, nonché gli effetti della dissoluzione dell'acciaio e del conseguente esaurimento dell'elettrolita. In conclusione, sia l'approccio CMP sia l'approccio EMP hanno dimostrato di superare efficacemente le principali limitazioni dei processi di MF convenzionali applicati ai componenti prodotti mediante AM. La combinazione sinergica della finitura di massa con la lucidatura chimica o elettrochimica ha consentito di incrementare significativamente la velocità di asportazione del materiale, trattare superfici caratterizzate da elevata rugosità iniziale e affrontare efficacemente la finitura di componenti con geometrie complesse e superfici interne. Infine, il lavoro fornisce una serie di linee guida metodologiche per affrontare il complesso problema del trattamento superficiale dei componenti metallici realizzati mediante AM, attraverso l'analisi integrata di differenti tecnologie e delle loro possibili combinazioni sinergiche. Viene inoltre proposto un approccio decisionale per la selezione dei trattamenti superficiali più appropriati in funzione dei requisiti applicativi e delle caratteristiche geometriche del componente.