3D printing of aluminum alloys under different extrusion techniques

Abstract

(English) This doctoral research evaluated the feasibility of using various aluminum-based feedstocks in additive manufacturing (AM) to develop cost-effective and environmentally friendly alternatives to traditional metal fabrication. The study systematically examined AA6061 filament, AlSi10Mg granules (commercial and recycled), and AlSi10Mg powder paste across three AM techniques: Fused Deposition Modeling (FDM), screw-based extrusion, and Direct Ink Writing (DIW). The main objectives were to optimize printing, thermal debinding, and sintering parameters for each feedstock and AM technique, and to assess the resulting mechanical properties and microstructures of the fabricated parts.For printing, AA6061 filament processed via FDM achieved optimal results with a 0.8 mm nozzle diameter at 205 °C. AlSi10Mg granules (commercial and recycled) and AlSi10Mg powder paste, used in screw-based extrusion and DIW respectively, performed best with 0.6 mm nozzles and lower temperatures. These optimizations established critical baseline conditions for subsequent processing steps, emphasizing the distinct requirements of each material and technique.Thermal debinding, essential for removing polymeric binders before sintering, was optimized for each feedstock. For AA6061 filament, 550 °C with holding times up to 3 hours was most effective. For commercial AlSi10Mg granules, 350 °C for 3 hours yielded optimal results, a condition that also worked for recycled granules and powder paste. These parameters minimized defects and prepared the parts for successful sintering.Sintering parameters were rigorously optimized to ensure densification and desired mechanical properties. AA6061 filament was best sintered at 635 °C, while commercial AlSi10Mg granules and powder paste achieved optimal results at 600 °C. Recycled AlSi10Mg granules reached peak performance at 620 °C. All sintering was conducted for 3 hours under a nitrogen atmosphere with vacuum and oxygen traps. SEM analysis confirmed increased densification and uniform microstructures under these conditions.A pre-sintering pressing technique was introduced to further enhance densification and reduce porosity. This step significantly improved the relative density of sintered parts by 19.25–45.55%, with pressed samples achieving densities up to 93.65%. Mechanical testing showed that recycled AlSi10Mg granules provided the highest compressive strength (168.34 MPa), followed by commercial granules, AA6061 filament, and powder paste.

(Català) Aquesta investigació doctoral va avaluar la viabilitat d'utilitzar diverses matèries primeres basades en alumini en la fabricació additiva (AM) per desenvolupar alternatives rendibles i respectuoses amb el medi ambient a la fabricació de metalls tradicional. L'estudi va examinar sistemàticament el filament AA6061, els grànuls d'AlSi10Mg (comercials i reciclats) i la pasta de pols d'AlSi10Mg a través de tres tècniques d'AM: Modelatge per Deposició Fusionada (FDM), extrusió basada en cargol i Escriptura Directa amb Tinta (DIW). Els objectius principals eren optimitzar els paràmetres d'impressió, desaglomeració tèrmica i sinterització per a cada matèria primera i tècnica d'AM, i avaluar les propietats mecàniques i microestructures resultants de les peces fabricades. Per a la impressió, el filament AA6061 processat mitjançant FDM va aconseguir resultats òptims amb un diàmetre de broquet de 0,8 mm a 205 °C. Els grànuls d'AlSi10Mg (comercials i reciclats) i la pasta de pols d'AlSi10Mg, utilitzats en l'extrusió basada en cargol i DIW respectivament, van tenir un millor rendiment amb broquets de 0,6 mm i temperatures més baixes. Aquestes optimitzacions van establir unes condicions de referència crítiques per als passos de processament posteriors, emfatitzant els requisits diferents de cada material i tècnica. El desaglomerant tèrmic, essencial per eliminar els aglutinants polimèrics abans de la sinterització, es va optimitzar per a cada matèria primera. Per al filament AA6061, 550 °C amb temps de retenció de fins a 3 hores va ser el més efectiu. Per als grànuls comercials d'AlSi10Mg, 350 °C durant 3 hores va donar resultats òptims, una condició que també va funcionar per a grànuls reciclats i pasta en pols. Aquests paràmetres van minimitzar els defectes i van preparar les peces per a una sinterització reeixida. Els paràmetres de sinterització es van optimitzar rigorosament per garantir la densificació i les propietats mecàniques desitjades. El filament AA6061 es va sinteritzar millor a 635 °C, mentre que els grànuls comercials d'AlSi10Mg i la pasta en pols van aconseguir resultats òptims a 600 °C. Els grànuls reciclats d'AlSi10Mg van assolir el rendiment màxim a 620 °C. Tota la sinterització es va dur a terme durant 3 hores sota una atmosfera de nitrogen amb trampes de buit i oxigen. L'anàlisi SEM va confirmar una densificació més gran i microestructures uniformes en aquestes condicions. Es va introduir una tècnica de premsat preselector per millorar encara més la densificació i reduir la porositat. Aquest pas va millorar significativament la densitat relativa de les peces sinteritzades entre un 19,25 i un 45,55%, i les mostres premsades van assolir densitats de fins al 93,65%. Les proves mecàniques van mostrar que els grànuls d'AlSi10Mg reciclats van proporcionar la resistència a la compressió més alta (168,34 MPa), seguits dels grànuls comercials, el filament AA6061 i la pasta en pols.

(Español) Esta investigación doctoral evaluó la viabilidad de utilizar diversas materias primas a base de aluminio en la fabricación aditiva (FA) para desarrollar alternativas rentables y respetuosas con el medio ambiente a la fabricación tradicional de metales. El estudio examinó sistemáticamente el filamento AA6061, los gránulos de AlSi10Mg (comerciales y reciclados) y la pasta de polvo de AlSi10Mg mediante tres técnicas de FA: modelado por deposición fundida (FDM), extrusión de tornillo y escritura directa con tinta (DIW). Los objetivos principales fueron optimizar los parámetros de impresión, desligado térmico y sinterización para cada materia prima y técnica de FA, así como evaluar las propiedades mecánicas y microestructuras resultantes de las piezas fabricadas. Para la impresión, el filamento AA6061 procesado mediante FDM alcanzó resultados óptimos con un diámetro de boquilla de 0,8 mm a 205 °C. Los gránulos de AlSi10Mg (comerciales y reciclados) y la pasta de polvo de AlSi10Mg, utilizados en la extrusión de tornillo y DIW, respectivamente, obtuvieron el mejor rendimiento con boquillas de 0,6 mm y temperaturas más bajas. Estas optimizaciones establecieron condiciones de referencia críticas para los pasos de procesamiento posteriores, enfatizando los requisitos específicos de cada material y técnica. El desaglomerado térmico, esencial para eliminar los aglutinantes poliméricos antes de la sinterización, se optimizó para cada materia prima. Para el filamento AA6061, la temperatura más efectiva fue de 550 °C con tiempos de retención de hasta 3 horas. Para los gránulos comerciales de AlSi10Mg, la temperatura de 350 °C durante 3 horas produjo resultados óptimos, condición que también funcionó para los gránulos reciclados y la pasta en polvo. Estos parámetros minimizaron los defectos y prepararon las piezas para una sinterización exitosa. Los parámetros de sinterización se optimizaron rigurosamente para garantizar la densificación y las propiedades mecánicas deseadas. El filamento AA6061 se sinterizó mejor a 635 °C, mientras que los gránulos comerciales de AlSi10Mg y la pasta en polvo alcanzaron resultados óptimos a 600 °C. Los gránulos reciclados de AlSi10Mg alcanzaron su máximo rendimiento a 620 °C. Toda la sinterización se realizó durante 3 horas en atmósfera de nitrógeno con trampas de vacío y oxígeno. El análisis SEM confirmó una mayor densificación y microestructuras uniformes en estas condiciones. Se introdujo una técnica de prensado presinterizado para mejorar aún más la densificación y reducir la porosidad. Este paso mejoró significativamente la densidad relativa de las piezas sinterizadas entre un 19,25 % y un 45,55 %, alcanzando las muestras prensadas densidades de hasta el 93,65 %. Las pruebas mecánicas mostraron que los gránulos reciclados de AlSi10Mg proporcionaron la mayor resistencia a la compresión (168,34 MPa), seguidos de los gránulos comerciales, el filamento AA6061 y la pasta en polvo.