The present paper systematically investigated the influence of solution and artificial aging heat treatments on the microstructures and mechanical properties of SLM-produced AlSi10Mg alloy parts. Due to the high cooling rate of SLM, an ultrafine eutectic microstructure in the as-built samples is characterized by spherical nano-sized network eutectic Si embedded in the Al matrix, which gives rise to significantly better tensile properties and Vickers micro-hardness. The solubility of Si atom in the Al matrix of as-built SLM samples is calculated to be 8.89 at%. With the increase in the solution temperature, the solubility decreases rapidly. The artificial aging causes the further decrease of the solubility of Si atoms in the Al matrix. Upon solution heat treatment, Si atoms are rejected from the supersaturated Al matrix to form small Si particles. With increasing the solution temperature, the size of the Si particles increases, whereas their number decreases. After artificial aging, the Si particles are further coarsened. The variation in size of Si particles has a significant influence on the mechanical properties of the AlSi10Mg samples. The tensile strength decreases from 434.25±10.7 MPa for the as-built samples to 168.11±2.4 MPa, while the fracture strain remarkably increases from 5.3±0.22% to 23.7±0.84% when the as-built sample is solution-treated at 550 °C for 2 h. This study indicates that the microstructure and mechanical properties of SLM-processed AlSi10Mg alloy can be tailored by suitable solution and artificial aging heat treatments.

Metallic additive manufacturing techniques, in particular the selective laser melting (SLM) process, are capable of fabricating strong, lightweight and complex metallic lattice structures. However, they still face certain process limitations such as geometrical constraints and in some cases the need for support structures. This study evaluates the manufacturability and performance of SLM produced periodic cellular lattice structures, which are designed by repeating a unit cell type called gyroid consisting of circular struts and a spherical core. The effect of unit cell size on the manufacturability, density and compression properties of the manufactured cellular lattice structures were investigated. Micro-computer tomography (CT) scan results reveal that the gyroid cellular lattice structures with various unit cell sizes ranging from 2 to 8 mm can be manufactured free of defects by the SLM process without the need of additional support structures. The Scanning Electron Microscope (SEM) micrographs show that the lattice structures made by SLM have a good geometric agreement with the original computer-aided design (CAD) models, but many partially melted metal particles are bonded to strut surfaces. The struts within the gyroid cellular lattice structures with smaller unit cell sizes have higher densities due to their shorter scan vector lengths in the SLM process. The yield strength and Young's modulus of the Gyroid cellular lattice structures increase with the decrease in the unit cell size due to the denser struts of the lattice structures with smaller unit cell sizes.

Overhanging and floating layers which are introduced during the build in selective laser melting (SLM) process are usually associated with high temperature gradients and thermal stresses. As there is no underlying solid material, less heat is dissipated to the powder bed and the melted layer is free to deform resulting undesired effects such as shrinkage and crack. This study uses three-dimensional finite element simulation to investigate the temperature and stress fields in single 316L stainless steel layers built on the powder bed without support in SLM. A non-linear transient model based on sequentially coupled thermo-mechanical field analysis code was developed in ANSYS parametric design language (APDL). It is found that the predicted length of the melt pool increases at higher scan speed while both width and depth of the melt pool decreases. The cyclic melting and cooling rates in the scanned tracks result high VonMises stresses in the consolidated tracks of the layer.

Triply periodic minimal surface (TPMS) structures have already been shown to be a versatile source of biomorphic scaffold designs. Therefore, in this work, Ti–6Al–4V Gyroid and Diamond TPMS lattices having an interconnected high porosity of 80–95% and pore sizes in the range of 560–1600 μm and 480–1450 μm respectively were manufactured by selective laser melting (SLM) for bone implants. The manufacturability, microstructure and mechanical properties of the Ti–6Al–4V TPMS lattices were evaluated. Comparison between 3D micro-CT reconstructed models and original CAD models of the Ti–6Al–4V TPMS lattices shows excellent reproduction of the designs. The as-built Ti–6Al–4V struts exhibit the microstructure of columnar grains filled with very fine and orthogonally oriented α′ martensitic laths with the width of 100–300 nm and have the microhardness of 4.01±0.34 GPa. After heat treatment at 680 °C for 4 h, the α′ martensite was converted to a mixture of α and β, in which the α phase being the dominant fraction is present as fine laths with the width of 500–800 nm and separated by a small amount of narrow, interphase regions of dark β phase. Also, the microhardness is decreased to 3.71±0.35 GPa due to the coarsening of the microstructure. The 80–95% porosity TPMS lattices exhibit a comparable porosity with trabecular bone, and the modulus is in the range of 0.12–1.25 GPa and thus can be adjusted to the modulus of trabecular bone. At the same range of porosity of 5–10%, the moduli of cortical bone and of the Ti–6Al–4V TPMS lattices are in a similar range. Therefore, the modulus and porosity of Ti–6Al–4V TPMS lattices can be tailored to the levels of human bones and thus reduce or avoid “stress shielding” and increase longevity of implants. Due to the biomorphic designs, and high interconnected porosity and stiffness comparable to human bones, SLM-made Ti–6Al–4V TPMS lattices can be a promising material for load bearing bone implants.

This paper investigates the manufacturability and performance of advanced and lightweight stainless steel cellular lattice structures fabricated via selective laser melting (SLM). A unique cell type called gyroid is designed to construct periodic lattice structures and utilise its curved cell surface as a self-supported feature which avoids the building of support structures and reduces material waste and production time. The gyroid cellular lattice structures with a wide range of volume fraction were made at different orientations, showing it can reduce the constraints in design for the SLM and provide flexibility in selecting optimal manufacturing parameters. The lattice structures with different volume fraction were well manufactured by the SLM process to exhibit a good geometric agreement with the original CAD models. The strut of the SLM-manufactured lattice structures represents a rough surface and its size is slightly higher than the designed value. When the lattice structure was positioned with half of its struts at an angle of 0° with respect to the building plane, which is considered as the worst building orientation for SLM, it was manufactured with well-defined struts and no defects or broken cells. The compression strength and modulus of the lattice structures increase with the increase in the volume fraction, and two equations based on Gibson–Ashby model have been established to predict their compression properties.

Metal additive manufacturing (MAM) of complex parts with overhangs typically requires the use of sacrificial support structures to hold the part during the process. This structures which are built simultaneously with the part, anchors the overhang geometry to the base plate and prevent distortion/curling resulting from thermal stresses. They are necessary, but add constraints to the geometries that the processes can make. The design and selection of support structure can influence the manufacturability of complex metal parts, material and energy utilization, manufacturing time and cost. This study takes a new step on the design and manufacturing a more efficient support through the novel application of lattice structures with very low volume fraction. Experiments were conducted in direct metal laser sintering (DMLS) machine using titanium alloy Ti6Al4V powder. Experimental results revealed that the type of structure, volume fraction and cell size are the main factors influencing the manufacturability, amount of support, and built time of lattice support structures. Lattice supports with very low volume fraction up to 8% were built, saving significant amount of materials used in the support while reducing built time of making MAM parts.

Functional graded cellular materials (FGCMs) have attracted increasing attentions for their improved properties when compared to uniform cellular structures. In this work, graded Gyroid cellular structures (GCSs) with varying gradient directions were designed and manufactured via selective laser melting (SLM). As a reference, uniform structures were also manufactured. The surface morphology and mechanical response of these structures under compressive loads were investigated. Results indicate high manufacturability and repeatability of GCSs manufactured by SLM. Optimized density distribution gives these structures novel deformation and mechanical properties. GCSs with density gradient perpendicular to the loading direction exhibit deformation behaviours similar to uniform ones, while GCSs with the gradient parallel to the loading direction exhibit layer-by-layer deformation and collapse behaviour. A novel phenomenon of sub-layer collapses is found in GCSs with gradient parallel to the loading direction. Furthermore, mathematical models were developed to predict and customize the mechanical properties of graded cellular structures by optimizing the relative density of each layer. These significant findings illustrate that graded cellular structures have high application prospect in various industries, particularly given the fact that additive manufacturing has been an enabler of cellular structure fabrication.