Machinability of Ti6Al4V alloy produced by electron beam melting under different lubricating conditions

In the last decade, the growing diffusion of metal additive manufacturing technologies is revolutionising the manufacturing processes of the most advanced industrial fields. Nowadays, more and more companies operating in the aeronautic and in the biomedical field are employing the additive manufacturing technology of Electron Beam Melting (EBM) to produce prosthesis and aero engine parts made of the titanium alloy Ti6Al4V, traditionally produced by hot forging and machining. Thanks to this technology, it is possible to realise a complex shape component with tailored mechanical and geometrical properties, passing from the 3D CAD model directly to the near net shape geometry without any intermediate manufacturing steps, thus cutting the production costs. However, finishing machining operations are still necessary to remove the surface porosity that is a direct and inevitable consequence of additive manufacturing technologies, and to achieve higher surface quality and geometrical accuracy. Aiming to optimize the machining operation and to avoid detrimental surface damages left on the final product, the material machinability has to be taken into account. At the moment, many efforts coming from both the academic and industrial research have been spent to enhance the poor machinability of wrought Ti6Al4V alloy due to the increasing demand from the aeronautic field; however no published works and technical data are available regarding the machinability of EBM Ti6Al4V that presents different mechanical properties. Within the biomedical field, the surgical replacements made of Ti6Al4V are traditionally machined under flood coolants, made of synthetic or vegetable oil and water emulsions. As a consequence, costly sterilizing and cleaning operations are performed to remove the toxic and pollutant chemical residuals left on the finished products at the end of the manufacturing process. Thus, there is a need to revise the traditional lubricating strategies applied in machining operations of surgical implants, proposing an innovative solution that might satisfy technological, environmental and economic issues. In this PhD thesis, an innovative cryogenic cooling line has been developed and implemented to turn EBM Ti6Al4V alloy, as a promising alternative to standard cooling methods applied in machining surgical implants. The alloy machinability has been firstly investigated trough an experimental approach, evaluating the effects of three different cooling methods namely: dry, wet and cryogenic and of different cutting parameters, on the tool wear, on the surface integrity and on the chip morphology. Subsequently, a FE numerical model has been developed to simulate the turning operation of EBM Ti6Al4V alloy, capable to predict the effects of different process conditions. Due to the beneficial effects induced by the cryogenic cooling on the surface integrity of turned Ti6AL4V EBM test pieces, the feasibility of such technology for biomedical applications has been validated by means of wear tests: the wear resistance of cryogenically machined specimens clearly increased with a strong reduction of metallic particles loss. Finally, cryogenic turning has been employed to machine real acetabular cups, in comparison with standard cooling methods applied in machining surgical implants. The beneficial effects imparted by cryogenic cooling in terms of improved material machinability, improved wear resistance and satisfying achievable geometrical accuracy, foresee a potential applicability of this technology in the biomedical field for years to come.

Nell'ultimo decennio la crescente diffusione delle moderne tecnologie di formatura additiva da polvere metallica sta rivoluzionando i processi produttivi dei più avanzati settori manifatturieri. Oggigiorno, sempre più aziende operanti nel settore aeronautico e biomedicale stanno impiegando la tecnologia additiva denominata “Electron Beam Melting” per realizzare protesi ortopediche e componenti di motori aeronautici in lega di Ti6Al4V, tradizionalmente ottenuti per forgiatura e lavorazioni alle macchine utensili. Grazie a tale tecnologia, è possibile realizzare un componente di forma complessa, con proprietà geometriche e meccaniche taylorizzate, passando direttamente dal disegno al prodotto semi finito senza passaggi intermedi, abbattendo i costi di produzione. Tuttavia, lavorazioni alle macchine utensili di finitura sono tuttora necessarie per eliminare la porosità superficiale intrinseca a tale tecnologia e per ottenere una qualità superficiale e una precisione dimensionale non raggiungibili altrimenti. Al fine di ottimizzare la lavorazione meccanica e non indurre danneggiamenti superficiali al prodotto finito che ne inficiano la vita di servizio, è fondamentale conoscere la lavorabilità del materiale. Allo stato attuale, molti lavori di carattere scientifico e industriale sono stati condotti per migliorare la bassa lavorabilità della lega Ti6Al4V lavorata a caldo, grazie a una forte domanda dal settore aeronautico, ma non sono reperibili documenti e informazioni tecniche fruibili sul comportamento della lega prodotta per Electron Beam Melting, che manifesta differenti proprietà microstrutturali e meccaniche. Nel campo biomedicale, le protesi ortopediche in lega di Ti6Al4V sono lavorate alle macchine utensili applicando abbondante lubrificazione, realizzata con emulsioni di olio sintetico o vegetale e acqua. Al fine di rimuovere le sostanze tossico-inquinanti lasciate dalla lavorazione sui prodotti finiti, costose operazioni di lavaggio e sterilizzazione sono eseguite a fine processo. Nasce quindi l’esigenza di rivisitare le tradizionali strategie di lubrificazione impiegate nei processi di asportazione di truciolo in campo biomedicale, proponendo una soluzione che soddisfi dei requisiti tecnologici (bassa lavorabilità della lega), ambientali (fluido lubrificante non inquinante e tossico per l’uomo) ed economici (che riduca i costi di lavaggio e sterilizzazione). In questa tesi di dottorato, un sistema di lubrificazione criogenico è stato implementato per realizzare la tornitura della lega Ti6Al4V EBM, come alternativa da applicarsi in campo biomedicale. La lavorabilità della lega è stata investigata mediante un approccio sperimentale, valutando gli effetti di tre regimi di lubrificazione: a secco, lubrificante standard e mediante azoto liquido; e dei parametri di taglio, valutando l’usura dell’utensile, l’integrità superficiale e la morfologia del truciolo. In seguito un modello numerico agli elementi finiti è stato sviluppato per simulare il processo di tornitura su tale lega, capace di predire gli effetti di diversi parametri di processo. Visti i benefici apportati dalla lubrificazione criogenica sull'integrità superficiale di componenti torniti di Ti6AL4V EBM, l’applicabilità di tale tecnologia in campo biomedicale è stata validata mediante delle prove di usura: la resistenza all’usura del materiale è risultata notevolmente incrementata con minor rilascio di particelle metalliche. In fine, la tornitura criogenica è stata applicata nella lavorazione di reali coppe acetabolari, comparandone gli effetti con le più tradizionali strategie di lubrificazione. I positivi risultati in termini di miglioramento della lavorabilità, di resistenza all'usura accompagnati da soddisfacente precisione dimensionale, fanno intravvedere un’efficiente applicazione della tornitura criogenica in campo biomedicale negli anni futuri.