Numerical and experimental analysis of the L-PBF additive manufacturing process of aluminium alloys

Abstract

O rápido crescimento dos processos de fabrico aditivo nos últimos anos foi motivado por sua capacidade de produzir peças diretamente de um desenho por computador, camada por camada. Os processos de fabrico aditivo à base de pó metálico têm atraído a atenção das indústrias aeroespacial, energia e automotiva, com o objetivo de produzir peças de engenharia com características geométricas complexas. No entanto, a ocorrência de defeitos de fabrico continua a ser um problema não resolvido. A seleção adequada dos parâmetros do processo é vital para a produção de componentes sem defeitos.O objetivo principal deste estudo é a seleção adequada dos parâmetros de processo a serem utilizados no processo de fabrico aditivo Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF). Foi realizada a análise numérica e experimental para duas ligas de alumínio (AlSi10Mg e Al-Cu). Foi realizado um desenho de experiências considerando diferentes combinações de potência do laser e velocidade de varrimento para três geometrias diferentes: (i) varrimento de trilha única; (ii) cubo oco de parede fina; (iii) cantilever. O efeito da deposição multicamada foi avaliado usando cubos ocos de parede fina, enquanto os cantilevers foram usados para avaliar as tensões residuais geradas durante o processo de fabrico e após o tratamento térmico. A simulação de elementos finitos do processo L-PBF foi realizada em duas escalas diferentes: (i) meso-escala e (ii) macro-escala.Em relação às trilhas construídas no substrato, a largura da trilha aumenta com o aumento da potência do laser ou com a diminuição da velocidade de varrimento. Apesar da variabilidade nos dados experimentais, as previsões numéricas do tamanho da poça de fusão estão de acordo com as medições experimentais. A altura da poça de fusão medida é significativamente maior para AlSi10Mg em comparação com a obtida para a mistura de pó Al-Cu. Por outro lado, para grandes valores de potência do laser a profundidade da poça de fusão é significativamente maior para a mistura de pó Al-Cu em comparação com a obtida para AlSi10Mg. Usando os mesmos parâmetros de processo para construir os cubos ocos de parede fina, a espessura de parede obtida é significativamente maior do que a largura da poça de fusão obtida na trilha única. Esta é uma consequência da baixa condutividade térmica do leito de pó que envolve a peça em construção. As tensões residuais foram medidas indiretamente usando a deflexão do cantilever após a operação de corte parcial. No entanto, o perfil do cantilever após o corte é apenas ligeiramente influenciado pelos parâmetros de processo estudados (potência do laser, velocidade de varrimento, distância entre vetores, espessura da camada e modo de emissão do laser). Aplicando o tratamento térmico à geometria do cantilever, a deflexão resultante da operação de corte é muito pequena.

The fast growth of the additive manufacturing processes over the past years has been motivated by their ability to produce parts directly from a computer-aided design file in a layer-by-layer fashion. The metal powder-based additive manufacturing processes have attracted the attention of aerospace, energy and automotive industries, in order to produce on-demand engineering parts with complex geometrical features. Nevertheless, the occurrence of manufacturing defects remains an important unsolved issue. The proper selection of the process parameters is vital to producing components without defects. The main objective of the present study is the proper selection of the process parameters to be used in the Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) additive manufacturing process. Both numerical and experimental analysis was carried out for two different aluminium alloys for the powder material (AlSi10Mg and Al-Cu). A design of experiments was carried out considering different combinations of laser power and scanning speed for three different geometries: (i) single track scanning; (ii) hollow thin-wall cube; (iii) cantilever. The effect of the multi-layer deposition was evaluated using hollow thin-wall cubes, while the cantilevers were used for evaluating the residual stresses generated both during the manufacturing process and after the heat treatment. The finite element modelling of the L-PBF manufacturing process was carried at two different scales: (i) meso-scale analysis and (ii) macro-scale analysis. Regarding the single tracks built on the substrate, the track width increases either by increasing the laser power or decreasing the scanning speed. Despite the variability in the experimental data, the numerical predictions of the melt pool size are in agreement with the experimental measurements. The measured melt pool height is significatively larger for AlSi10Mg in comparison with the one obtained for Al-Cu powder mixture. On the other and, for large values of laser power the melt pool depth is significatively larger for Al-Cu powder mixture in comparison with the one obtained for AlSi10Mg. Using the same process parameters to build the hollow thin-wall cubes, the obtained wall thickness is significatively larger than the melt pool width obtained in the single track. This is a consequence of the low thermal conductivity of the powder bed surrounding the part under building. The residual stresses were indirectly measured using the cantilever deflection after the partial cutting operation. Nevertheless, the cantilever profile after the cut is only slightly influenced by the process parameters studied (laser power, scanning speed, hatch distance, layer thickness and laser emission mode). Applying the heat treatment to the cantilever geometry, the deflection resulting from the cutting operation is very small.