Microstructure predictions using kinetic Monte Carlo method for additive manufactured parts

In previous years, additive manufacturing has evolved a lot to manufacture complex and customized parts for end-user applications in a short time with specifications and quality deliverables. In spite of numerous advantages, additive manufacturing hasn’t found widespread acceptance due to the complexity involved in the design and modeling of the process. This coupled with the unpredictability of the resultant material response of the AM process has led innumerable researches to focus on determining a controlling link between process-structure-properties of AM process. The purpose of this study is to provide a link between the process parameters and resultant microstructure in metal AM parts. The determination of a rapid and cost-effective way to model microstructure evolution is quite an interesting part of the research. This followed with appropriate heat source modeling and the calibration of the simulator corresponding to the selected microstructure model. Furthermore, the study is concentrated on the validation of the selected model for various AM processes. The validation part of this study is carried out in two different stages. The first stage involved microstructure simulation for powder-based process parameters available in literature and comparison with EBSD data and resultant simulated microstructure. The second stage involved the design of experiments for WAAM processes. The deposited parts are used to obtain optical micrographs. These are compared with the microstructure obtained through simulation of corresponding parameters. The simulated microstructure is inspected to verify the amount of deviation from the corresponding experimental microstructure. Upon inspection, the model shows a high correlation for simulation of powder-based AM processes, especially involving materials having FCC lattice. However, the model shows a certain discrepancy in the simulation of WAAM processes. The last stage comprised of verifying the credibility of the simulated microstructure in property predictions. The model showed unbiased predictions for powder-based processes, whereas it was unreliable for WAAM.

Negli anni precedenti, la produzione additiva si è evoluta molto per produrre parti complesse e personalizzate per applicazioni per l'utente finale in breve tempo con specifiche e risultati di qualità. Nonostante i numerosi vantaggi, la produzione additiva non ha trovato un'accettazione diffusa a causa della complessità della progettazione e della modellazione del processo. Ciò, unito all'imprevedibilità della risultante risposta materiale del processo AM, ha portato innumerevoli ricerche a concentrarsi sulla determinazione di un collegamento di controllo tra proprietà struttura-processo del processo AM. Lo scopo di questo studio è di fornire un collegamento tra i parametri di processo e la microstruttura risultante nelle parti metalliche AM. La determinazione di un modo rapido ed economico per modellare l'evoluzione della microstruttura è una parte piuttosto interessante della ricerca. Ciò è seguito con un'adeguata modellizzazione della fonte di calore e la calibrazione del simulatore corrispondente al modello di microstruttura selezionato. Inoltre, lo studio si concentra sulla validazione del modello selezionato per vari processi AM. La parte di validazione di questo studio è condotta in due diverse fasi. Il primo stadio prevedeva la simulazione di microstrutture per i parametri di processo basati su polvere disponibili in letteratura e il confronto con i dati EBSD e la microstruttura simulata risultante. La seconda fase prevedeva la progettazione di esperimenti per i processi WAAM. Le parti depositate vengono utilizzate per ottenere microfotografie ottiche. Questi vengono confrontati con la microstruttura ottenuta attraverso la simulazione dei parametri corrispondenti. La microstruttura simulata viene ispezionata per verificare la quantità di deviazione dalla corrispondente microstruttura sperimentale. Al momento dell'ispezione, il modello mostra un'alta correlazione per la simulazione di processi AM basati su polvere, in particolare con materiali con reticolo FCC. Tuttavia, il modello mostra una certa discrepanza nella simulazione dei processi WAAM. L'ultima fase consisteva nella verifica della credibilità della microstruttura simulata nelle previsioni di proprietà. Il modello ha mostrato previsioni imparziali per i processi basati su polvere, mentre non era affidabile per WAAM.