Predicting part distortion in selective laser melting using an improved inherent strain method
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2025 |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| Texto Completo: | https://hdl.handle.net/10316/118324 |
Resumo: | Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia |
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Predicting part distortion in selective laser melting using an improved inherent strain methodPrevisão da distorção de peças na fusão selectiva por laser utilizando o método da deformação inerente melhoradoAdditive manufacturingSelective laser meltingFinite element methodInherent strain methodPart distortionFabrico aditivoFusão seletiva a laserMétodo dos elementos finitosMétodo da deformação inerenteDistorção da peçaCiências da engenharia e tecnologias::Engenharia mecânicaTese de Doutoramento em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaMetal additive manufacturing (AM), particularly the selective laser melting (SLM) process, has garnered significant attention due to its ability to produce functional mechanical components with highly complex geometries. Although this AM process offers the capability to create intricate designs, it involves over 50 process parameters that must be carefully tuned to prevent defects such as porosity, cracking, and distortion. Finding the optimal combination of process parameters through trial-and-error experiments is both costly and time-consuming. Moreover, exploring the full parameter space is impractical. On the other hand, numerical simulation allows for rapid testing a broad range of parameter settings. However, the accuracy of numerical predictions depends largely on the assumptions underlying the computational model and the quality of the input data. Indeed, high-fidelity thermo-mechanical numerical simulations can be computationally expensive and time-consuming. Therefore, indirect modelling approaches have been developed, which avoid detailed modelling of each individual laser vector, thereby reducing computational cost.The objective of this study is to develop a multi-scale approach for predicting part distortion in the SLM process. The idea behind this approach is to improve the inherent strain method by incorporating geometric effects (part geometry) into the calibration of the inherent strain values. First, the inherent strain values are extracted from the meso-scale analysis of the SLM process (representative volume of the part) using a coupled thermo-mechanical model. These calibrated inherent strain values are then applied to appropriate regions of the part-scale model, enabling the estimation of part distortion through the proposed inherent strain method (mechanical analysis at part scale). The required computational models were developed and implemented in the in-house finite element code DD3IMP, allowing to perform both meso-scale and part-scale finite element analyses.The finite element discretization is a key point in the performance of the numerical simulations. Thus, an octree-based adaptive mesh refinement algorithm was developed to improve the performance of the simulations by dynamically refining or coarsening the mesh based on the laser beam’s position and thermal gradients. This approach allows to reduce significantly the number of finite elements in comparison with the static mesh approach. The refinement and coarsening of the mesh dictate the adoption of a state variable remapping procedure. Hence, the developed model is based on the incremental volumetric remapping procedure, which provides high levels of accuracy and avoids extrapolation. Additionally, an element birth strategy was implemented to enable the simulation of the material deposition (layers of powder). This strategy is adopted both at meso-scale analysis (layers of powder) and at the part-scale analysis (agglomeration of powder layers). A voxelization method based on ray casting was developed to generate a regular finite element mesh of hexahedral elements from the part geometry, allowing to easily slice the discretized geometry.The inherent strain tensor extracted from the meso-scale finite element results assumes orthogonality condition and zero strain in the building direction due to layer recoating. The impact of both the scan length and the stripe width on the permanent deformation is assessed for different geometries and dimensions, highlighting the influence of the aspect ratio, feature size, and process parameters. The proposed inherent strain method was applied to simulate two different examples: (i) double cantilever beam and (ii) squared canonical part. In both cases, the part distortion is accurately predicted. The case study involving the cantilever beam highlights the importance of proper layer lumping and support removal modelling. The difference between numerical and experimental beam deflection (after cutting), defined by the root mean square error, is reduced from 0.053 mm to 0.026 mm (reduction of 51%) when the cutting operation is modelled incrementally. Applying different values of inherent strain in different zones of the cantilever provides a negligible effect on the predicted beam deflection. On the other hand, regarding the squared canonical part, the introduction of inherent strain zones improved the prediction of external wall distortion. Indeed, the root mean square error reduced from 0.051 mm to 0.049 mm (reduction of 4%). Moreover, maximum distortion was better predicted when using multiple inherent strain zones, where the relative error decreased from 16.1% to 7.9%.O fabrico aditivo de metais (FA), particularmente o processo de fusão seletiva a laser (FSL), tem atraído uma atenção significativa devido à sua capacidade de produzir componentes mecânicos funcionais com geometrias complexas. Embora este processo de FA ofereça a capacidade de criar projetos complexos, envolve mais de 50 parâmetros de processo que devem ser cuidadosamente ajustados para evitar defeitos como porosidade, fissuras e distorção. Encontrar a combinação ideal de parâmetros de processo através de experiências de tentativa e erro é dispendioso e demorado. Além disso, explorar todo o espaço de parâmetros é impraticável. Por outro lado, a simulação numérica permite testar rapidamente uma vasta gama de parâmetros. No entanto, a precisão das previsões numéricas depende em grande parte dos pressupostos subjacentes ao modelo computacional e da qualidade dos dados de entrada. Na verdade, as simulações numéricas termomecânicas de alta fidelidade podem ser computacionalmente dispendiosas e demoradas. Assim sendo, foram desenvolvidas abordagens de modelação indireta, que evitam a modelação detalhada de cada vector de laser, reduzindo assim o custo computacional.O objetivo deste estudo é desenvolver uma abordagem multiescala para prever as distorções de peças no processo FSL. A ideia por detrás desta abordagem é a melhoria do método de deformação inerente, incorporando efeitos geométricos (geometria da peça) na calibração dos valores de deformação inerente. Em primeiro lugar, os valores de deformação inerentes são extraídos da análise de mesoescala do processo FSL (volume representativo da peça) utilizando um modelo termomecânico acoplado. Estes valores de deformação inerente calibrados são depois aplicados a regiões apropriadas do modelo à escala da peça, permitindo uma estimativa da distorção da peça através do método de deformação inerente proposto (análise mecânica à escala da peça). Os modelos computacionais necessários foram desenvolvidos e implementados no código interno de elementos finitos DD3IMP, permitindo realizar análises de elementos finitos à mesoescala e à escala da peça.A discretização por elementos finitos é um ponto chave no desempenho das simulações numéricas. Assim, foi desenvolvido um algoritmo de refinamento adaptativo de malha baseado em octree para melhorar o desempenho das simulações, refinando ou desrefinando dinamicamente a malha com base na posição do laser e nos gradientes térmicos. Esta abordagem permite reduzir significativamente o número de elementos finitos em comparação com a abordagem de malha estática. O refinamento e o de da malha ditam a adoção de um procedimento de remapeamento de variáveis de estado. Assim, o modelo desenvolvido baseia-se no procedimento de remapeamento volumétrico incremental, que proporciona elevados níveis de precisão e evita extrapolações. Adicionalmente, foi implementada uma estratégia de nascimento de elementos para permitir a simulação da deposição de material (camadas de pó). Esta estratégia é adotada tanto na análise de mesoescala (camadas de pó) como na análise à escala da peça (aglomeração de camadas de pó). Foi desenvolvido um método de voxelização baseado no traçado de raio para gerar uma malha regular de elementos finitos de elementos hexaédricos a partir da geometria da peça, permitindo facilmente fatiar a geometria discretizada.O tensor de deformação inerente extraído da análise de elementos finitos à mesoescala assume uma condição de ortogonalidade e deformação nula na direção da construção devido ao recobrimento da camada. O impacto do comprimento da varrimento de laser e da largura da tira na deformação inerente é avaliado para diferentes geometrias e dimensões, destacando a influência da relação de aspeto, do tamanho da característica e dos parâmetros do processo. O método de deformação inerente proposto foi avaliado em dois exemplos diferentes: (i) viga dupla suportada e (ii) peça canónica quadrada. Em ambos os casos, a distorção da peça é prevista com precisão. O caso de estudo envolvendo a viga dupla suportada realça a importância do procedimento adequado de aglomeração de camadas e da modelação de remoção de suporte. A diferença entre a deflexão numérica e experimental da viga (após o corte), definida pela raiz do erro quadrático médio, é reduzida de 0,053 mm para 0,026 mm (redução de 51%) quando a operação de corte é modelada incrementalmente. A aplicação de diferentes valores de deformação inerente em diferentes zonas da peça proporciona um efeito mínimo na deflexão prevista da viga. Por outro lado, relativamente à peça canónica quadrada, a introdução de zonas de deformação inerentes melhorou a previsão da distorção da parede externa. De facto, a raiz do erro quadrático médio reduziu de 0,051 mm para 0,049 mm (redução de 4%). Além disso, a distorção máxima foi melhor prevista quando se utilizaram múltiplas zonas de deformação inerente, onde o erro relativo diminuiu de 16,1% para 7,9%.FCT2025-01-28doctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttps://hdl.handle.net/10316/118324https://hdl.handle.net/10316/118324TID:101809867engMarques, Bruno Miguel da Silva Velosoinfo: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:RCAAP2025-02-25T23:00:29Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/118324Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:12:10.225193Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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