Thermo-metallurgical-mechanical modelling of the Selective Laser Melting process at meso-scale to evaluate residual stresses and distortions
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| Publication Date: | 2024 |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
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Summary: | Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia |
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Thermo-metallurgical-mechanical modelling of the Selective Laser Melting process at meso-scale to evaluate residual stresses and distortionsModelação termo-metalúrgico-mecânica do processo de fusão seletiva por laser à meso escala para avaliar tensões residuais e distorçõesDistorçõesFusão seletiva por laserLiga Ti-6Al-4VMétodo dos elementos finitosTensões residuaisDistortionsFinite element methodResidual stressesSelective laser meltingTi-6Al-4V alloyCiências da engenharia e tecnologias::Engenharia mecânicaTese de Doutoramento em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaSelective Laser Melting (SLM) is one of the most versatile powder-based processes among Additive Manufacturing technologies. This process has numerous parameters that need to be fine-tuned in order to obtain defect-free parts. However, the interaction between them is complex, since it involves multiple physical phenomena at different scales. Optimizing the parameters with trial-and-error experiments is not a sustainable approach. In this context, numerical simulation tools can provide a better understanding of the physical mechanisms underlying the process and how the parameters interact and affect the final outcome.In this work, a thermo-metallurgical-mechanical model to simulate the SLM process of Ti-6Al-4V meso-scale builds was developed and implemented in the in-house finite element code DD3IMP. This work addressed the most common modelling limitations for this scale, by considering multi-layer simulations and incorporating a metallurgical framework in the thermo-mechanical analysis, while focusing also on computational efficiency, through the implementation of non-conforming mesh coupling methods, which enabled the use of an efficient adaptive mesh refinement scheme.An experimental campaign was carried out to study different aspects of the SLM process and to validate the numerical model. Four different types of Ti-6Al-4V builds were produced with both continuous (CW) and modulated wave (MW) emission: single-tracks, thin walls, large cuboids and small cuboids. For the single-tracks, laser powers between 200 and 300 W and scanning speeds between 1000 and 2000 mm/s were free of defects. The thin wall thicknesses were very consistent when comparing samples with the same energy density. Higher energy densities lead to greater thicknesses. For the large cuboids produced with CW emission, the highest relative density, 99.96%, was obtained for a combination of laser power, scanning speed and hatch spacing of 300 W/2000 mm/s/0.050 mm. For MW emission, the highest value, 99.74%, was obtained with 300 W/1000 mm/s/0.150 mm. Optical micrographs of cuboids produced with 400 W/500 mm/s/0.2 mm (CW emission) and 100 W/500 mm/s/0.1 mm (MW emission) showed no differences in the microstructure: mainly α’ with small regions of β phase. The small cuboids were produced with different scanning strategies (unidirectional, bidirectional and island) and angles of rotation of scan vectors between layers (0º, 67º and 90º). The lowest longitudinal stresses were obtained for the unidirectional and bidirectional strategies with a rotation of 90º, while the lowest transversal stresses were obtained for the bidirectional strategy without rotation. The samples produced with the island strategy showed the greatest top surface distortions. For the unidirectional and bidirectional cases, rotating the scan vectors between layers promoted smoother height profiles, particularly for a rotation of 67º.The single-track melt pool dimensions were used to calibrate the multiplying factors of the enhanced thermal conductivity approach and the parameters of the heat source equation. The numerical temperature and residual stress fields were validated with literature results. The thin wall measurements of samples produced with CW emission (300 W/1000 mm/s) and MW emission (300 W/800 mm/s) were used to complete the validation process. The predicted thickness was equal for both laser emissions, underestimating the experimental measurements.The parametric study carried out for some of the main SLM process parameters showed that increasing the laser power and decreasing the scanning speed lead to a reduction in the residual stresses. This occurs due to the increase in the average part temperature and the reduction of thermal gradients. Regarding the scanning strategy, the lowest longitudinal stresses were obtained with a bidirectional strategy, while the island strategy showed the lowest values of transversal residual stresses. With the increase in hatch spacing, no clear trend was observed in the predicted stresses, which highlights the complexity of its influence on the mechanical behavior. When rotating the scan vectors between layers (similar results with 67º and 90º), despite the slight increase in the longitudinal stresses, the transversal stresses significantly decrease, becoming close to neutral.The numerical study on the effect of some of the parameters and features of the numerical model on the residual stresses showed that modelling the solid-state phase transformations is critical, since without them the stresses are drastically overestimated. Moreover, the martensitic start temperature also had a significant effect on the stresses. Additionally, the spatial discretization relative to the hatch spacing was also shown to have a considerable effect on the residual stresses.A Fusão Seletiva por Laser (FSL) é um dos processos à base de pó mais versáteis de entre as tecnologias de Fabrico Aditivo. O processo contempla um número muito elevado de parâmetros, que necessitam de ser ajustados para obter peças sem defeitos. No entanto, a interação entre eles é complexa, pois estão envolvidos múltiplos fenómenos físicos a diferentes escalas. A otimização dos parâmetros através de uma abordagem experimental de tentativa-erro não é uma abordagem sustentável. Neste contexto, as ferramentas de simulação numérica podem facilitar a compreensão dos mecanismos físicos inerentes ao processo e a forma como a interação entre parâmetros afeta o produto final.Neste trabalho foi desenvolvido e implementado no código de elementos finitos DD3IMP um modelo termo-metalúrgico-mecânico para simular o processo FSL de peças da liga Ti-6Al-4V no domínio da meso-escala. Este trabalho procurou superar as limitações mais comuns dos estudos realizados nesta escala, ao considerar simulações multicamada e ao integrar um modelo de previsão metalúrgica na análise termomecânica. Foi também dada grande importância à eficiência computacional, através da implementação de métodos de acoplamento de malhas não conformes, o que permitiu utilizar uma estratégia eficiente de refinamento adaptativo.Foi realizada uma campanha experimental de forma a estudar diferentes aspetos do processo FSL e a validar o modelo numérico. Foram produzidos quatro tipos de amostras em Ti-6Al-4V com emissão contínua (EC) e modulada (EM): trilhas simples, paredes finas, cuboides grandes e cuboides pequenos. Para as trilhas simples, com potências entre 200 e 300 W e velocidades entre 1000 e 2000 mm/s não foram observados defeitos. As espessuras das paredes finas foram muito consistentes entre amostras com a mesma densidade de energia. Ao aumentar a densidade de energia foram obtidas maiores espessuras. Para os cuboides grandes produzidos com EC, a maior densidade relativa, 99.96%, foi obtida para uma combinação de potência, velocidade e espaçamento entre vetores de 300 W/2000 mm/s/0.050 mm. Para EM, o valor mais elevado, 99.74%, foi obtido com 300 W/1000 mm/s/0.150 mm. Micrografias de cuboides produzidos com 400 W/500 mm/s/0.2 mm (EC) e 100 W/500 mm/s/0.1 mm (EM) não mostraram diferenças na microestrutura, com predominância da fase α’ e pequenas regiões de fase β. Os cuboides pequenos foram produzidos com diferentes estratégias de varrimento (unidirecional, bidirecional e ilha) e ângulos de rotação dos vetores entre camadas (0º, 67º e 90º). As tensões longitudinais mais baixas foram obtidas para as estratégias unidirecional e bidirecional com rotação de 90º, enquanto as tensões transversais mais baixas foram obtidas para a estratégia bidirecional sem rotação. As amostras produzidas com a estratégia de ilha apresentaram as maiores distorções na superfície superior. Para os casos unidirecional e bidirecional, a rotação dos vetores entre camadas promoveu perfis de altura mais suaves, sobretudo para uma rotação de 67º.As dimensões da poça de fusão das trilhas simples foram utilizadas para calibrar os fatores multiplicativos do método da condutividade térmica amplificada e os parâmetros da fonte de calor. A temperatura e as tensões residuais previstas foram validadas com resultados da literatura. As amostras de paredes finas produzidas com EC (300 W/1000 mm/s) e EM (300 W/800 mm/s) foram utilizadas para completar o processo de validação. A espessura prevista foi igual para ambos os modos de emissão do laser, subestimando as medições experimentais.O estudo paramétrico realizado a alguns dos principais parâmetros do processo FSL mostrou que o aumento da potência do laser e a diminuição da velocidade de varrimento conduzem a uma redução das tensões residuais, devido ao aumento da temperatura média da peça e à redução dos gradientes térmicos. As tensões longitudinais mais baixas foram obtidas com a estratégia bidirecional. A estratégia de ilha apresentou os valores mais baixos de tensões transversais. O aumento do espaçamento entre vetores não produziu uma tendência clara nas tensões previstas, o que evidencia a complexidade da influência deste parâmetro no comportamento mecânico. Ao rodar os vetores entre camadas (resultados semelhantes com 67º e 90º), apesar do ligeiro aumento das tensões longitudinais, as tensões transversais diminuem significativamente, tornando-se próximas de valores neutros.O estudo efetuado para determinar a influência de alguns dos parâmetros e características do modelo numérico nas tensões residuais mostrou que a modelação das transformações de fase no estado sólido é crítica, uma vez que sem elas as tensões são drasticamente sobrestimadas. Além disso, a temperatura inicial da transformação martensítica tem também um efeito muito significativo nas tensões previstas. Mostrou-se também que a discretização espacial relativa ao espaçamento entre vetores tem um efeito considerável nas tensões residuais.FCT2024-12-17doctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttps://hdl.handle.net/10316/118294https://hdl.handle.net/10316/118294TID:101787995engAndrade, Carlos Manuel Jorge Oliveira Azenhainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-02-12T23:01:07Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/118294Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:12:09.028223Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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