Thermo-mechanical finite element modeling of AISI316L stainless steel selective Laser melting

Selective Laser Melting is a promising process, in particular for biomedical applications. Indeed it offers large possibilities of personalization, enables the building of geometries otherwise not manufacturable, small series at no prohibitive costs. However the rigorous norms and regulations that apply to the biomedical devices require an elevated level of knowledge and management of the manufacturing process for it to be fully qualified. The relative novelty of the process coupled with technological difficulties related to its monitoring currently limit the experimental characterization of the SLM and thus restrain its wider use. To address these issues, a predictive model able to reproduce the appearance of some of the defects that were identified as highly influential on the part functionality, namely lack of fusion porosity, residual stress and distortions, was developed. Considering the typical dimensions in the phenomena involved leading to the formation of these defects, a millimeter-scale approach was chosen. As already available software were found not to be suitable to address these issues, a thermo-mechanical finite element model was developed, experimentally calibrated and validated in-house. Lack of fusion defect, residual stress and plastic strain mechanisms of appearance were shown and analyzed. Strategies to reduce their formation were proposed. They suggest to use in-process adjustable parameters to comply with the variable situations to which the material is submitted. For instance a gradual ignition/extinction of the laser at each track beginning/end would diminish the detrimental effects of excessive heating/cooling rates. The utility of the model when combined to experimental activities in orienting and speeding up a process optimization procedure was shown.

Il processo SLM è un metodo di fabbricazione particolarmente promettente nell’ambito biomedicale. Offre infatti ampie possibilità di personalizzazione, permette la fabbricazione di geometrie e strutture che non potrebbero essere prodotte altrimenti e consente la produzione di piccole serie senza generare costi eccessivi. Tuttavia, i dispositivi biomedicali sono sottoposti a norme e regolamentazioni stringenti che richiedono un alto livello di conoscenza e padronanza del processo di fabbricazione. La relativa modernità della tecnica, unita ad alcune difficoltà pratiche nel osservazione e nel monitoraggio del processo attualmente limita la caratterizzazione sperimentale del SLM e ne restringe quindi lo sviluppo. In questo lavoro abbiamo pertanto sviluppato un modello predittivo in grado di riprodurre la comparsa di alcuni difetti di fabbricazione fra quelli considerati come più dannosi come ad esempio le porosità dovute a una fusione parziale del materiale, gli stress residui e le distorsioni. Le dimensioni caratteristiche dei fenomeni fisici che generano questi difetti hanno reso necessario un approccio a scala millimetrica. Attualmente i codici di calcolo commerciali disponibili non permettono di descrivere efficacemente queste problematiche, abbiamo dunque sviluppato un modello ad elementi finiti. Questo modello è stato successivamente calibrato e validato sperimentalmente con dati misurati usando strumenti e metodi appositamente concepiti. I meccanismi di comparsa dei difetti di fusione incompleta, stress residui e deformazio- ni plastiche sono stati evidenziati ed analizzati. Infine, alcune strategie per ridurne la formazione sono state proposte: ad esempio utilizzare parametri variabili durante la fabbricazione del campione, al fine di adattarsi alle diverse condizioni alle quali il materiali viene sottoposto. Per esempio, un’accensione e uno spegnimento graduali del laser all’inizio e alla fine di ogni traccia diminuirebbe gli effetti negativi di un aumento o di una diminuzione troppo veloce della temperatura. L’utilità del modello, quando utilizzato accoppiato a delle attività sperimentali, nell’orientare ed accelerare l’ottimizzazione del processo è stata dimostrata.