The contribution of shot peening to surface roughness modification and fatigue performance of additive manufactured materials

Additive manufacturing (AM) is a rapidly growing technology thanks to its capability of fabricating parts with complex features and geometries for a diverse range of applications. Nevertheless, the additive manufactured parts usually represent relatively poor surface quality in the as-built condition. The high surface roughness and extremely irregular surfaces exacerbate the performance of the fabricated components including fatigue behaviour substantially. Shot peening surface treatment has been proved to be quite successful in enhancing surface quality and fatigue strength of AM materials. In this thesis, the objective is to develop a novel and robust 3D numerical finite element model capable of simulating the multiple impact shot peening process on the highly irregular and rough surface of as-built AM specimens, and deliver an accurate prediction of the improved surface roughness. Moreover, a comprehensive code is developed in MATLAB to apply a filter on the surface in order to eliminate waviness from its surface roughness profile and later calculate a complete set of linear and areal standard roughness parameters. Eventually, by implementing two innovative analytical approaches, the areal roughness parameters of the numerically simulated shot peened surfaces were incorporated in fatigue strength prediction. The accuracy of the developed model is validated in each step by comparisons made with the data obtained from a performed experimental campaign. A series of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) AlSi10Mg samples in as-built and heat treated configurations were used as reference data for comparison of the modelling results. These samples were shot peened with the same process parameters implemented in the numerical model. The results demonstrate that despite the limitations caused by various factors, the final achieved model provides an inventive, powerful numerical and analytical package, which is able to not only predict the beneficial contribution of shot peening process on surface texture of rough AM materials, but also provide a rather precise approximation of their fatigue strengths.

La manifattura additiva (AM) è una tecnologia in crescita grazie alla versatilità che offre, sia per la fabbricazione di componenti meccanici con caratteristiche geometriche complesse sia per altre applicazioni. Nonostante i recenti sviluppi nel settore, la qualità della superficie dei componenti risulta un punto critico. L’elevata rugosità e l’irregolarità della superficie, infatti, compromettono, le prestazioni dei componenti. In particolare, il loro comportamento a fatica è modesto. La pallinatura è uno dei trattamenti che ha dimostrato di essere in grado di migliorare la qualità e la resistenza a fatica delle superfici ottenute con processi di manifattura additiva. L’obiettivo della presente tesi e quello di sviluppare un’innovativo approccio di modellazione numerica agli elementi finiti capace di simulare i molteplici impatti della pallinatura applicata alla superficie irregolare e rugosa di pezzi prodotti con processi additivi, per poi ricavare accurate informazioni sullo stato finale della superfice dopo l’esecuzione della pallinatura. Inoltre, è stato generato un codice MATLAB per filtrare gli effetti dell’ondulazione (waviness) della superficie e per poi calcolare tutti i parametri lineari e areali di caratterizzazione della superficie. Da questa simulazione e dall’introduzione di due innovativi approcci analitici, i parametri della finitura superficiale di un’area dopo la pallinatura sono stati utilizzati in diversi metodi di previsione della vita a fatica dei componenti. L’accuratezza del modello è stata validata in ogni fase confrontando i risultati della simulazione con i risultati di attività sperimentali analoghe. Una serie di campioni della lega AlSi10Mg fabbricati via SLM, sia “as-built” sia trattati termicamente, sono stati utilizzati nelle attività esperimentali per ricavare i dati di confronto. I provini sono stati sottoposti ad un processo di pallinatura con gli stessi parametri utilizzati nella simulazione. I risultati dimostrano come, nonostante diversi fattori meritino un maggiore approfondimento, la modellazione sviluppata rappresenta uno strumento analitico e numerico potente e creativo, capace, non solo di riprodurre gli effetti positivi della pallinatura sulle superfici prodotte additivamente, ma in grado in grado di fornire un’approssimazione adeguatamente accurata della loro resistenza a fatica.