Efficient thermomechanical simulation of laser powder fusion 3D printing process and mechanical behavior modelling of printed structural elements

Abstract

Additive Manufacturing (AM) – also known as 3D Printing – processes are a group of manufacturing processes that enable the fabrication of complex-shaped parts and are considered one of the pillars of the ongoing Fourth Industrial Revolution. Among the AM processes, Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) is considered the most mature AM variation for implementation in many industrial sectors. Nevertheless, the efficient implementation of the process is hindered by many factors, mainly related to the development of rapid thermal cycles during the process and the inferior fatigue performance of the AM materials and parts. The experimental investigation of the optimum set of L-PBF process parameters consists of expensive trial-and-error procedures, while the dependence of the mechanical behavior of AM metals on the selection of process parameters is still not completely understood. Therefore, the development of reliable numerical modeling methods that predict the thermomechanical behavior and estimate the fatigue life of AM materials and parts is essential for the further implementation of L-PBF process in technological applications. However, the computational cost of these methods is enormous for practical applications. In the present study, the development of efficient methodologies for the simulation of the L-PBF process and the evaluation of the fatigue performance of the L-PBF metals/parts is presented. To achieve the research goals, a modeling framework comprising four sub-methodologies is developed in the present thesis: the first one for small scale sub-parts simulation (meso-scale), the second for density-based optimization of the materials and parts of the L-PBF process, the third for the prediction of residual stresses/strains in larger parts without defects (part-scale) and the fourth for predicting the fatigue life of L-PBF materials and parts. More specifically, the developed thermomechanical finite element models in this thesis account for the different spatial and temporal phenomena developed during the L-PBF process. Initially, a meso-scale thermomechanical FE model aiming to model the L-PBF process of small-scale parts is developed, exploring the advantages of the adaptive mesh refinement technique – a mesh coarsening numerical technique – and it is applied for the efficient simulation of the L-PBF process. This meso-scale model predicts the temperature fields in small regions of AM parts. The thermomechanical model is demonstrated on the fabrication of the Body Centered Cubic (BCC) lattice structure unit cell. The results show that the model requires only one-quarter of the time of a more conventional simulation based on the ‘element birth and death’ technique, without any significant compromise in the accuracy of the temperature fields. Moreover, this meso-scale model can be used for the assessment of the dimensional accuracy of the structures of the L-PBF parts. The meso-scale modeling procedures of the L-PBF process are further employed for the development of the second modeling sub-methodology for the density optimization of the L-PBF processed materials and parts. This methodology identifies the laser scan-related process parameters that lead to the minimum number of defects. This is performed by predicting melt pool characteristics for different process parameters through single laser scan thermal simulations. Then, the initial optimal parameters are used for the thermal simulation of the L-PBF fabrication of small coupons to determine their capability to produce fully dense parts. Thus, a relationship between the process parameters and the resulting porosity is determined. This approach can assist in the optimization of process parameters. The methodology is demonstrated on the optimization of processing Ti-6Al-4V and 316L alloys. The agreement between the numerical and experimental results for the dense-optimum process parameters verifies the presented approach. The third modeling sub-methodology concerns the prediction of residual stresses and strains in large L-PBF parts. For the simulation of the L-PBF process for larger engineering components, a set of assumptions is made to avoid the explicit modeling of the laser passes and circumvent the associated time and element size constraints. The employed methodology is verified by the simulation of benchmark test cases of L-PBF components, where the applicability and limitations of the method are exposed. Guidelines for the efficient discretization of the modeled parts are also provided. The main cause of preliminary fatigue failure of AM metals and parts is the presence of defects that act as stress raisers from which catastrophic failure initiates. As noted previously, the formation of these defects can be identified by the examination of the melt pool characteristics, which can be predicted by the thermal simulations. Thus, in the fourth sub-methodology, the detection of susceptible areas for defect formation in parts/coupons is performed by the thermal simulation of the process. The most critical defect for fatigue failure is identified and used as an input in a fracture mechanics-based model for the prediction of fatigue life estimation. The methodology is utilized for the modeling of experimental test cases of the High Cycle Fatigue (HCF) behavior of Ti-6Al-4V and 316L specimens processed by L-PBF. The predicted results show a good correlation with experimental measurements validating the presented modelling approach. Finally, based on the examination of the results, the conclusions are outlined and recommendations for future research in the scientific area are provided.

Οι διαδικασίες προσθετικής κατασκευής, γνωστές και ως διαδικασίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, είναι μια κατηγορία παραγωγικών μεθόδων που επιτρέπει την κατασκευή εξαρτημάτων με σύνθετη γεωμετρία και θεωρείται ένας από τους πυλώνες της εν εξελίξει Τέταρτης Βιομηχανικής Επανάστασης. Μεταξύ των διαδικασιών προσθετικής κατασκευής, η τήξη σκόνης σε κλίνης με λέιζερ θεωρείται η πιο ώριμη διαδικασία τεχνολογιών προσθετικής κατασκευής για εφαρμογή σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς. Ωστόσο, η αποτελεσματική εφαρμογή της διαδικασίας αυτής παρεμποδίζεται από πολλούς παράγοντες που σχετίζονται κυρίως με την ανάπτυξη ταχέων θερμικών κύκλων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και την κατώτερη αντοχή κατά την κόπωση των υλικών και των εξαρτημάτων που παράγονται με αυτή την μέθοδο. Η πειραματική διερεύνηση του βέλτιστου συνόλου των παραμέτρων της διαδικασίας της τήξης σκόνης σε κλίνη με λέιζερ αποτελείται από δαπανηρές διαδικασίες δοκιμής και σφάλματος, ενώ η εξάρτηση της μηχανικής συμπεριφοράς των μετάλλων από την επιλογή των παραμέτρων της μεθόδου δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητή. Επομένως, η ανάπτυξη αξιόπιστων μεθόδων αριθμητικής μοντελοποίησης που προβλέπουν τη θερμομηχανική συμπεριφορά και εκτιμούν την διάρκεια κόπωσης των υλικών και των εξαρτημάτων που παράγονται με τη διαδικασία προσθετικής κατασκευής της τήξης σκόνης σε κλίνη με λέιζερ είναι απαραίτητη για την περαιτέρω πρόοδο της διαδικασίας. Ωστόσο, το υπολογιστικό κόστος αυτών των μεθόδων είναι τεράστιο για πρακτικές εφαρμογές. Στην παρούσα μελέτη, παρουσιάζεται η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθοδολογιών για την προσομοίωση της διαδικασίας της τήξης σκόνης σε κλίνη με λέιζερ και την αξιολόγηση της απόδοσης κόπωσης των μετάλλων/μερών που παράγονται με αυτή τη μέθοδο.Για να επιτευχθούν οι ερευνητικοί στόχοι, ένα πλαίσιο μοντελοποίησης που περιλαμβάνει τέσσερις υπο-μεθοδολογίες αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή: η πρώτη αφορά την προσομοίωση υπό-περιοχών των εξαρτημάτων (μέση κλίμακα), η δεύτερη την βελτιστοποίηση με βάση την πυκνότητα των υλικών/εξαρτημάτων της διαδικασίας, η τρίτη την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων/παραμορφώσεων μεγαλύτερων εξαρτημάτων χωρίς ατέλειες (κλίμακα δομικού στοιχείου) και η τέταρτη στοχεύει στην πρόβλεψη της αντοχής σε κόπωση και της αστοχίας των εξαρτημάτων και των υλικών της διαδικασίας. Πιο συγκεκριμένα, τα αναπτυγμένα θερμομηχανικά μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων αυτής της διατριβής στοχεύουν στην μοντελοποίηση των διαφορετικών χωρικών και χρονικών φαινομένων που αναπτύσσονται κατά την διαδικασία της προσθετικής κατασκευής. Αρχικά, αναπτύσσεται ένα θερμομηχανικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων μέσης κλίμακας που στοχεύει στη μοντελοποίηση μικρών τμημάτων των εξαρτημάτων προσθετικής κατασκευής, διερευνώντας τα πλεονεκτήματα της τεχνικής της προσαρμοστικής βελτίωσης πλέγματος – μια αριθμητική τεχνική αραίωσης του πλέγματος – και εφαρμόζεται για την αποδοτική προσομοίωση της διαδικασίας. Αυτό το μοντέλο μέσης κλίμακας προβλέπει τα πεδία θερμοκρασίας σε μικρές περιοχές τμημάτων των εξαρτημάτων της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Το θερμομηχανικό μοντέλο χρησιμοποιείται για την προσομοίωση μιας κυβικά χωροκεντρωμένης μοναδιαίας κυψελίδας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το μοντέλο απαιτεί μόνο το ένα τέταρτο του χρόνου μιας πιο συμβατικής προσομοίωσης που βασίζεται στην τεχνική ‘element birth and death’ χωρίς καμία σημαντική απώλεια στην ακρίβεια ως προς την πρόβλεψη των πεδίων της θερμοκρασίας. Επιπλέον, αυτό το μοντέλο μέσης κλίμακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της διαστατικής ακρίβειας των χαρακτηριστικών των εξαρτημάτων που παράγονται με την διαδικασία προσθετικής κατασκευής.Οι διαδικασίες μοντελοποίησης μέσης κλίμακας της μεθόδου προσθετικής κατασκευής χρησιμοποιούνται περαιτέρω για την ανάπτυξη της δεύτερης υπο-μεθοδολογίας μοντελοποίησης για την βελτιστοποίηση της πυκνότητας των υλικών και των εξαρτημάτων της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Αυτή η μεθοδολογία προσδιορίζει τις παραμέτρους της διαδικασίας που σχετίζονται με τη σάρωση λέιζερ που οδηγούν στην ελαχιστοποίηση των ατελειών. Αυτό επιτυγχάνεται με την πρόβλεψη των χαρακτηριστικών των λιμνών τήξης για διάφορες παραμέτρους μέσω θερμικών προσομοιώσεων μονής σάρωσης λέιζερ. Έπειτα, οι αρχικά βέλτιστες παραμέτρους χρησιμοποιούνται για την θερμική προσομοίωση της κατασκευής μικρών δοκιμίων για να καθοριστεί η ικανότητα τους για την παραγωγή πλήρως πυκνών εξαρτημάτων. Έτσι, προσδιορίζεται μια σχέση μεταξύ των παραμέτρων διαδικασίας και του πορώδους. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διαδικασίας. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται για τη βελτιστοποίηση των κραμάτων μετάλλων Ti-6Al-4V και 316L SS. Η συμφωνία μεταξύ των αριθμητικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων χαρακτηρισμού των βέλτιστων ως προς την πυκνότητα παραμέτρων της διαδικασίας επαληθεύει την παρουσιαζόμενη προσέγγιση. Η τρίτη υπο-μεθοδολογία μοντελοποίησης αφορά την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων και παραμορφώσεων των εξαρτημάτων μεγαλύτερων διαστάσεων που κατασκευάζονται με την διαδικασία προσθετικής κατασκευής. Για τη προσομοίωση της κατασκευής των μηχανικών εξαρτημάτων μεγαλύτερης κλίμακας, εξετάζεται ένα σύνολο υποθέσεων, προκειμένου να παρακαμφθεί η ακριβής μοντελοποίηση των σαρώσεων του λέιζερ και οι σχετικές απαιτήσεις μικρού χρονικού βήματος και μεγέθους στοιχείων. Η χρησιμοποιούμενη μεθοδολογία επαληθεύεται με την προσομοίωση πειραματικών περιπτώσεων αναφοράς για εξαρτήματα της διαδικασίας, όπου αναδεικνύεται η ικανότητα εφαρμογής της και οι περιορισμοί της. Παρέχονται επίσης κατευθυντήριες γραμμές για την αποδοτική διακριτοποίηση των εξαρτημάτων. Η κύρια αιτία της πρόωρης αστοχίας κατά την κόπωση των μετάλλων και των εξαρτημάτων που έχουν παραχθεί με την διαδικασία προσθετικής κατασκευής είναι η παρουσία ατελειών που λειτουργούν ως ανυψωτές τάσεων από τις οποίες ξεκινά η καταστροφική αστοχία. Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, ο σχηματισμός αυτών των ατελειών μπορεί να αναγνωριστεί με την εξέταση των χαρακτηριστικών της λιμνών τήξης, που μπορούν να προβλεφθούν με την θερμική προσομοίωση της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής. Έτσι, στην τέταρτη υπο-μεθοδολογία η ανίχνευση ευαίσθητων περιοχών για το σχηματισμό ατελειών σε εξαρτήματα ή δοκίμια πραγματοποιείται μέσω της θερμικής προσομοίωσης της διαδικασίας. Η πιο κρίσιμη ατέλεια για την αστοχία σε κόπωση προσδιορίζεται και χρησιμοποιείται ως εισαγωγή σε μοντέλα θραυστομηχανικής για την πρόβλεψη της εκτίμησης της διάρκειας ζωής σε κόπωση των μετάλλων και των εξαρτημάτων. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται για τη μοντελοποίηση πειραματικών περιπτώσεων για την πολύ-κυκλική κόπωση δοκιμίων από Ti-6Al-4V και 316L SS που επεξεργάζονται με την παραγωγική διαδικασία. Τα αποτελέσματα της πρόβλεψης παρουσιάζουν μια καλή συσχέτιση με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις επικυρώνοντας την παρούσα προσέγγιση μοντελοποίησης.Τέλος, με βάση την εξέταση των αποτελεσμάτων, συνοψίζονται τα συμπεράσματα και παρέχονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα στο σχετικό επιστημονικό πεδίο.