Analysis of additive manufacturing process with Powder Bed Fusion Electron Beam (PBF-EB) technology through numerical simulation with Flow-3D AM

Le strutture reticolari basate su “Triply Periodic Minimal Surfaces” (TPMS) stanno diventando sempre più interessanti grazie alle loro capacità di assorbire energia e alle loro proprietà meccaniche. La produzione di componenti basati su queste strutture è complessa, ma la fusione a letto di polvere con fascio elettronico (PBF-EB) può essere un’alternativa valida. Tuttavia, sebbene fattibile, la produzione di queste strutture è difficile, poiché i parametri di processo standard usati per la PBF-EB generano strutture che non sono dimensionalmente accurate o caratterizzate da grandi porosità a causa di "lack of fusion". L'uso di un modello numerico per simulare la produzione di tali strutture può aiutare a comprendere meglio i fenomeni che si verificano durante la loro produzione. Tuttavia, attualmente non sono disponibili modelli numerici per simulare la produzione di tali strutture. Questa tesi esplora lo sviluppo di un modello numerico per il processo di produzione additiva “Powder Bed Fusion Electron Beam” (PBF-EB) con la lega Ti-6Al-4V. Viene usato un software disponibile in commercio (FLOW-3D AM) per simulare la produzione di una struttura reticolare basata sulla superficie TPMS. L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di creare un modello multifisico in grado di replicare accuratamente i fenomeni fisici chiave del processo in condizioni realistiche. Lo studio inizia con una panoramica delle strutture Triply Periodic Minimal Surface (TPMS), descrivendone la geometria, il comportamento meccanico e i metodi di produzione utilizzando tecnologie di produzione additiva. Nella seconda parte del capitolo viene presentata una rassegna delle varie strategie di simulazione per il processo PBF-EB presenti in letteratura, dai metodi termici semplificati ai modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) completamente accoppiati. Il secondo capitolo descrive lo sviluppo del modello numerico nell'ambiente FLOW-3D AM, che consiste in tre fasi principali: deposito della polvere, diffusione della polvere e fusione della polvere. Ciascuna parte è stata impostata definendo i modelli fisici necessari, le condizioni al contorno e le proprietà termofisiche del Ti6Al4V. Per migliorare l'accuratezza della simulazione, l'attenzione si è concentrata sulla rigidezza normale per l'interazione particella-particella e sul coefficiente di resistenza che influenza la dinamica della pozza di fusione. I risultati della simulazione, analizzati nel capitolo tre, mostrano che la geometria della pozza fusa e le informazioni sulla temperatura corrispondono ai dati sperimentali riportati in letteratura. Ciò dimostra che il modello sviluppato nell'ambiente FLOW-3D AM è in grado di riprodurre la complessità dell'EBM catturandone i principali meccanismi di processo, sebbene permangano alcune sfide, come la simulazione dei meccanismi di sinterizzazione o l'inclusione di traiettorie del fascio più complesse.