THERMOMECHANICAL MODELLING OF METAL ADDITIVE MANUFACTURING WITH FOCUS ON RESIDUAL STRESSES AND DEFORMATIONS

In the last decade, metal additive manufacturing (MAM) has been experiencing huge growth thanks to the increase in production performances and knowledge of it. Prediction of temperatures and stresses during production is still challenging due to the complexity of the process, requiring several experimental tests or numerical simulations to achieve the desired components. This project involves the development of a computationally-efficient part-scale thermomechanical model to reliably predict temperatures, residual stresses, and deformations generated during directed energy deposition (DED) of stainless steel 316L. Furthermore, ex-situ and in-situ analysis results are reported from the production of samples with different process parameters to detect and better understand these influences in the final components. A single-track deposition thermal model is firstly validated through a high-fidelity meso-scale CFD model. The model is produced in the commercial CAE software ABAQUS through an in-house developed Python script that partitions the geometry as desired and defines loads, boundaries, and initial conditions according to the Flash Heating (FH) method. Subsequently, a thermal and thermomechanical model for a multi-layer multi-track deposition is obtained and validated through comparisons with IR-camera and photosensor recordings executed during production. It is shown that the built thermal model can simulate a deposition of 14 layers made of three tracks in around 200 hrs of computational time (if also the scanning pattern is included in the simulation), which increases to 3400 hrs when moving from a thermal to a thermomechanical analysis.

La fabbricazione additiva dei metalli (Metal Additive Manufacturing - MAM) ha conosciuto un'enorme crescita nell'ultimo decennio, grazie all'aumento delle prestazioni e delle conoscenze riguardo a tale processo produttivo. La previsione delle temperature e degli stress residui durante la produzione è ancora sotto studio a causa della complessità del processo, che richiede diversi test sperimentali o numerici per ottenere l'ottimizzazione della produzione. Questo progetto si concentra sullo sviluppo di simulazioni termomeccaniche computazionalmente efficienti per prevedere in maniera affidabile le temperature, gli stress residui e le deformazioni generate durante la deposizione a energia diretta (Directed Energy Deposition - DED) di acciaio inossidabile 316L. Sono inoltre riportati i risultati di analisi ex-situ e in-situ dalla produzione di campioni con diversi parametri di processo, per individuare e comprendere meglio le influenze di questi nei componenti finali. Un modello numerico concentrato sull'aspetto termico della deposizione di una singola traccia di 316L viene innanzitutto validato attraverso un modello CFD ad alta fedeltà su scala \textit{meso}. Il modello è prodotto nel software CAE commerciale ABAQUS attraverso uno script Python che suddivide la geometria come desiderato e definisce carichi, condizioni iniziali ed al contorno secondo il metodo di riscaldamento istantaneo (Flash Heating - FH). Successivamente, si ottiene un modello termico e termomeccanico per una deposizione multistrato a più tracce di 316L, che viene validata attraverso il confronto con le registrazioni della telecamera IR e del fotosensore eseguite durante la produzione. Si dimostra che il modello termico sviluppato può simulare una deposizione di 14 strati composti da tre tracce in circa 200 ore di tempo di calcolo della CPU (se si include nella simulazione anche il percorso di scansione del laser), che aumentano a 3400 ore quando si passa da un'analisi termica a una termomeccanica.